Manganeso: historia, propiedades, estructura, usos
El manganeso es un elemento químico que consiste de un metal de transición, representado por el símbolo Mn, y cuyo número atómico es 25. Su nombre se debe a la magnesia negra, hoy en día mineral pirolusita, el cual fue estudiado en Magnesia, una región de Grecia.
Es el doceavo elemento más abundante de la corteza terrestre, hallándose en una variedad de minerales como iones con distintos estados de oxidación. De todos los elementos químicos, el manganeso se distingue por presentarse en sus compuestos con muchos estados de oxidación, de los cuales el +2 y +7 son los más comunes.
En su forma pura y metálica no tiene demasiadas aplicaciones. No obstante, puede agregarse al acero como uno de los aditivos principales para volverlo inoxidable. Es así que su historia está íntimamente relacionada con la del hierro; aun cuando sus compuestos han estado presentes en pinturas rupestres y vidrios antiguos.
Sus compuestos encuentran aplicaciones dentro de baterías, métodos analíticos, catalizadores, oxidaciones orgánicas, fertilizantes, coloración de vidrios y cerámicas, secadores y suplementos nutricionales para cubrir la demanda biológica del manganeso en nuestros cuerpos.
Asimismo, los compuestos de manganesos son muy coloridos; sin importar que en ellos haya interacciones con especies inorgánicas u orgánicas (organomanganeso). Sus colores dependen del número o estado de oxidación, siendo el +7 más representativo en el agente oxidante y antimicrobiano KMnO4.
Además de los usos anteriores entornos al manganeso, sus nanopartículas y marcos de metal orgánico son opciones para desarrollar catalizadores, sólidos adsorbentes, y materiales de dispositivos electrónicos.
Índice del artículo
- 1 Historia
- 2 Propiedades
- 2.1 Apariencia
- 2.2 Peso atómico
- 2.3 Número atómico (Z)
- 2.4 Punto de fusión
- 2.5 Punto de ebullición
- 2.6 Densidad
- 2.7 Calor de fusión
- 2.8 Calor de vaporización
- 2.9 Capacidad calórica molar
- 2.10 Electronegatividad
- 2.11 Energías de ionización
- 2.12 Radio atómico
- 2.13 Conductividad térmica
- 2.14 Resistividad eléctrica
- 2.15 Orden magnético
- 2.16 Dureza
- 2.17 Reacciones químicas
- 2.18 Organocompuestos
- 2.19 Isótopos
- 3 Estructura y configuración electrónica
- 4 Estados de oxidación
- 5 ¿Dónde se encuentra el magnesio?
- 6 Alimentos con manganeso
- 7 Papel biológico
- 8 Usos
- 9 Referencias
Los comienzos del manganeso, como el de muchos otros metales, están asociados a los de su mineral más abundante; en este caso, la pirolusita, MnO2, al cual llamaban magnesia negra, por su color y debido a que se recolectaba en Magnesia, Grecia. Su color negro llegó a utilizarse incluso en las pinturas rupestres francesas.
Su primer nombre fue manganesa, dado por Michele Mercati, y luego cambió a manganeso. El MnO2 también se utilizó para decolorar vidrios e, de acuerdo a ciertas investigaciones, se le ha encontrado en las espadas de los espartanos, quienes para entonces ya fabricaban sus propios aceros.
Del manganeso se admiraban los colores de sus compuestos, pero no fue sino hasta 1771 que el químico suizo Carl Wilhelm propuso su existencia como elemento químico.
Más tarde, en 1774, Johan Gottlieb Gahn logró reducir el MnO2 a manganeso metálico utilizando carbón mineral; actualmente reducido con aluminio o transformado a su sal de sulfato, MgSO4, la cual termina por electrolizarse.
En el siglo XIX el manganeso adquirió su enorme valor comercial al demostrarse que mejoraba la fortaleza del acero sin alterar su maleabilidad, produciéndose ferromanganesos. Asimismo, el MnO2 encontró uso como material catódico en las pilas de zinc-carbón y alcalinas.
Color plateado metálico.
54,938 u
25
1.246 ºC
2.061 ºC
-A temperatura ambiente: 7,21 g/mL.
-En el punto de fusión (líquido): 5,95 g/mL
12,91 kJ/mol
221 kJ/mol
26,32 J/(mol·K)
1,55 en la escala de Pauling
Primer nivel: 717,3 kJ/mol.
Segundo nivel: 2.150, 9 kJ/mol.
Tercer nivel: 3.348 kJ/mol.
Empírico 127 pm
7,81 W/(m·K)
1,44 µΩ·m a 20 ºC
Paramagnético, es atraído débilmente por un campo eléctrico.
6,0 en la escala de Mohs
El manganeso es menos electronegativo que sus vecinos más cercanos en la tabla periódica, lo que lo hace menos reactivo. Sin embargo, puede arder en el aire en presencia de oxígeno:
3 Mn (s) + 2 O2 (g) => Mn3O4 (s)
También puede reaccionar con el nitrógeno a una temperatura aproximada de 1.200 ºC, para formar nitruro de manganeso:
3 Mn (s) + N2 (s) => Mn3N2
También se combina directamente con el boro, carbono, azufre, silicio y fósforo; pero no con hidrógeno.
El manganeso se disuelve rápidamente en los ácidos, originando sales con el ion manganeso (Mn2+) y liberando gas hidrógeno. Reacciona igualmente con los halógenos, pero requiere de temperaturas elevadas:
Mn (s) + Br2 (g) => MnBr2 (s)
El manganeso puede formar enlaces con los átomos de carbono, Mn-C, permitiéndole originar una serie de compuestos orgánicos llamados organomanganeso.
En los organomanganesos las interacciones se deben bien a los enlaces Mn-C o Mn-X, donde X es un halógeno, o al posicionamiento del centro positivo de manganeso con las nubes electrónicas de los sistemas π conjugados de compuestos aromáticos.
Para ejemplos de lo anterior dicho están los compuestos yoduro de fenilmanganeso, PhMnI, y el metilciclopentadienil manganeso tricarbonilo, (C5H4CH3)-Mn-(CO)3.
Este último organomanganeso forma un enlace Mn-C con el CO, pero a la vez interacciona con la nube aromática del anillo C5H4CH3, formando una estructura tipo sándwich a la mitad:
Tiene un solo isótopo estable 55Mn con el 100 % de abundancia. Los demás isótopos son radiactivos: 51Mn, 52Mn, 53Mn, 54Mn, 56Mn y 57Mn.
La estructura del manganeso a temperatura ambiente es compleja. Aunque se la considera cúbica centrada en el cuerpo (bcc), experimentalmente su celda unitaria ha demostrado ser un cubo distorsionado.
Esta primera fase o alótropo (para el caso del metal como elemento químico), llamada α-Mn, es estable hasta los 725 °C; alcanzada esta temperatura, ocurre una transición a otro alótropo igual de “raro”, el β-Mn. Luego, el alótropo β predomina hasta los 1095 °C cuando nuevamente vuelve a transformarse en un tercer alótropo: el γ-Mn.
El γ-Mn tiene dos estructuras cristalinas diferenciables entre sí. Una cúbica centrada en la cara (fcc), y la otra tetragonal centrada en la cara (fct, por sus siglas en inglés face-centred tetragonal) a temperatura ambiente. Y por último, a 1134 °C el γ-Mn se transforma en el alótropo δ-Mn, el cual sí cristaliza en una estructura bcc ordinaria.
Así pues, el manganeso posee hasta cuatro formas alotrópicas, todas dependientes de la temperatura; y respecto a aquellas dependientes de la presión, no hay demasiada referencias bibliográficas para consultarlas.
En estas estructuras los átomos Mn están unidos por un enlace metálico regido por sus electrones de valencia, de acuerdo a su configuración electrónica:
[Ar] 3d5 4s2
La configuración electrónica del manganeso permite observar que tiene siete electrones de valencia; cinco en el orbital 3d, y dos en el orbital 4s. Al perder todos estos electrones durante la formación de sus compuestos, asumiendo la existencia del catión Mn7+, se dice que adquiere un número de oxidación de +7 o Mn(VII).
El KMnO4 (K+Mn7+O2-4) es un ejemplo de un compuesto con Mn(VII), y es fácil reconocerlo por sus colores morados brillantes:
El manganeso puede ir perdiendo gradualmente cada uno de sus electrones. Así, sus números de oxidación también pueden ser de +1, +2 (Mn2+, el más estable de todos), +3 (Mn3+), y así sucesivamente hasta el +7, ya mencionado.
Mientras más positivos sean los números de oxidación, mayor será su tendencia a ganar electrones; es decir, su poder oxidante será mayor, ya que “robarán” los electrones a otras especies para reducirse y surtir la demanda electrónica. Es por eso que el KMnO4 es un gran agente oxidante.
Todos los compuestos de manganeso se caracterizan por ser coloridos, y la razón se debe a las transiciones electrónicas d-d, diferentes para cada estado de oxidación y sus entornos químicos. Así, los compuestos de Mn(VII) suelen ser de color violetas, mientras que los de Mn(VI) y Mn(V), por ejemplo, son verdes y azules, respectivamente.
Los compuestos de Mn(II) lucen un poco desteñidos, contrastando al KMnO4. Por ejemplo, el MnSO4 y MnCl2 son sólidos de colores rosado pálido, casi blancos.
Esta diferencia se debe a la estabilidad del Mn2+, cuyas transiciones electrónicas requieren de más energía y, por lo tanto, apenas absorbe radiaciones de la luz visible reflejándolas casi todas.
El manganeso constituye el 0,1 % de la corteza terrestre y ocupa el doceavo lugar entre los elementos presentes en ella. Sus principales yacimientos se encuentran en Australia, Suráfrica, China, Gabón y Brasil.
Entre los principales minerales de manganeso están los siguientes:
-Pirolusita (MnO2) con 63% de Mn
-Ramsdelita (MnO2) con 62% de Mn
-Manganita (Mn2O3·H2O) con 62% de Mn
-Criptomelano (KMn8O16) con 45 – 60% de Mn
-Hausmanita (Mn·Mn2O4) con 72% de Mn
-Braunita (3Mn2O3·MnSiO3) con 50 – 60% de Mn y la (MnCO3) con 48% de Mn.
Solamente los minerales que contienen más del 35% de manganeso se consideran comercialmente explotables.
Aunque en el agua de mar hay muy poco manganeso (10 ppm), en el piso del fondo marino existen largas áreas cubiertas de nódulos de manganeso; también llamados nódulos polimetálicos. En estos existen cúmulos de manganeso y algo de hierro, aluminio y silicio.
La reserva de manganeso de los nódulos se estima en una cantidad mucho mayor que la reserva del metal en la superficie terrestre.
Los nódulos de alto grado contienen entre 10 y 20% de manganeso, con algo de cobre, cobalto y níquel. Sin embargo, existen dudas acerca de la rentabilidad comercial de la explotación minera de los nódulos.
El manganeso es un elemento esencial en la dieta del hombre, ya que interviene en el desarrollo del tejido óseo; así como en su formación y en la síntesis de los proteoglucanos, formadores de cartílagos.
Por todo esto, es necesaria una dieta adecuada de manganeso, seleccionando los alimentos que contienen el elemento.
La siguiente es una lista de alimentos que contienen manganeso, con los valores expresados en mg de manganeso/100 g del alimento:
-Ananá 1,58 mg/100g
-Frambuesa y fresa 0,71 mg/100g
-Banana fresca 0,27 mg/100g
-Espinaca cocida 0,90 mg/100g
-Batata 0,45 mg/100g
-Poroto de soja 0,5 mg/100g
-Col rizada cocida 0,22 mg/100g
-Brócoli cocido 0,22 mg/100g
-Garbanzo en lata 0,54 m/100g
-Quinoa cocida 0,61 mg/100g
-Harina de trigo integral 4,0 mg/100g
-Arroz integral cocido 0,85 mg/100g
-Cereales tipo All Brand 7,33 mg/100g
-Semillas de chía 2,33 mg/100g
-Almendras tostadas 2,14 mg/100g
Con estos alimentos es fácil cumplir con los requerimientos de manganeso, que se han estimado en los hombres en 2,3 mg/día; mientras que las mujeres necesitan ingerir 1,8 mg/día de manganeso.
El manganeso interviene en el metabolismo de los carbohidratos, proteínas y lípidos, así como en la formación ósea y en el mecanismo de defensa contra los radicales libres.
El manganeso es un cofactor para la actividad de numerosas enzimas, entre ellas: superóxido reductasa, ligasas, hidrolasas, quinasas y descarboxilasas. La deficiencia del manganeso ha sido relacionada con la pérdida de peso, náuseas, vómitos, dermatitis, retardo en el crecimiento y anormalidades esqueléticas.
El manganeso interviene en la fotosíntesis, específicamente en el funcionamiento del Fotosistema II, relacionado con la disociación del agua para formar oxígeno. La interacción entre los Fotosistemas I y II es necesaria para la síntesis del ATP.
El manganeso es considerado necesario para la fijación del nitrato por las plantas, fuente de nitrógeno y un componente nutricional primario de las plantas.
El manganeso por sí solo es un metal con propiedades insuficientes para aplicaciones industriales. No obstante, cuando se mezcla en pequeñas proporciones con el hierro fundido, los aceros resultantes. Esta aleación, llamada ferromanganeso, también se adiciona a otros aceros, siendo un componente esencial para volverlo inoxidable.
No solo aumenta su resistencia al desgaste y su fortaleza, sino que además lo desulfura, desoxigena y desfosforila, removiendo los átomos de S, O y P indeseables en la producción de acero. El material formado es tan fuerte que se utiliza para la creación de vías ferroviarias, barrotes de las jaulas en las prisiones, cascos, cajas fuertes, rines, etc.
El manganeso puede además alearse con el cobre, zinc y níquel; es decir, para producir aleaciones no ferrosas.
El manganeso también se utiliza para la producción de aleaciones de aluminio, las cuales normalmente se destina para la fabricación de latas de bebidas gaseosas o cervezas. Estas aleaciones Al-Mn son resistentes a la corrosión.
Debido a que el manganeso es beneficioso para las plantas, como MnO2 o MgSO4 encuentra uso en la formulación de fertilizantes, de tal manera que los suelos se enriquezcan de este metal.
El Mn(VII), expresamente como KMnO4, es un poderoso agente oxidante. Su acción es tal que ayuda a desinfectar las aguas, siendo la desaparición de su color violeta indicativo de que neutralizó los microbios presentes.
Asimismo, sirve como titulante en reacciones redox analíticas; por ejemplo, en la determinación de hierro ferroso, sulfitos y peróxidos de hidrógeno. Y además, es un reactivo para llevar a cabo ciertas oxidaciones orgánicas, siendo la mayoría de las veces síntesis de ácidos carboxílicos; entre ellos, el ácido benzoico.
El vidrio naturalmente presenta un color verde debido a su contenido de óxido férrico o silicatos ferrosos. Si se agrega un compuesto que de alguna manera pueda reaccionar con el hierro y aislarlo del material, entonces el vidrio se decolorará o perderá su color verde característico.
Cuando se agrega manganeso como MnO2 con este propósito, y nada más, el vidrio transparente termina cobrando tonalidades rosadas, violetas o azuladas; razón por la cual siempre se adicionan otros iones metálicos para contrarrestar tal efecto y mantener el vidrio incoloro, si es ese el deseo.
Por otro lado, si hay un exceso de MnO2, se obtiene un vidrio con matices marrones o inclusive de color negro.
Las sales de manganeso, especialmente MnO2, Mn2O3, MnSO4, MnC2O4 (oxalato), y otras, se utilizan para secar semillas de linaza o aceites a bajas o altas temperaturas.
Al igual que otros metales, sus cristales o agregados pueden ser tan pequeños hasta alcanzar las escalas nanométricas; estos son, las nanopartículas de manganeso (NPs-Mn), reservadas para aplicaciones ajenas a los aceros.
Las NPs-Mn aportan mayor reactividad cuando se tratan de reacciones químicas donde pueda intervenir el manganeso metálico. Mientras su método de síntesis sea verde, utilizando extractos de plantas o microorganismos, más amigable serán sus potenciales aplicaciones con el medio ambiente.
Algunos de sus usos son:
-Depuran aguas residuales
-Suplen demandas nutricionales de manganeso
-Sirven como agente antimicrobiano y antifúngico
-Degradan colorantes
-Forman parte de supercondensadores y baterías de iones litio
-Catalizan la epoxidación de las olefinas
-Purifican extractos de ADN
Entre esas aplicaciones las nanopartículas de sus óxidos (NPs MnO) también pueden participar o incluso sustituir a las metálicas.
Los iones de manganeso pueden interactuar con una matriz orgánica para establecer un marco metal orgánico (MOF: Metal Organic Framework). Dentro de las porosidades o intersticios de este tipo de sólido, con enlaces direccionales y estructuras bien definidas, pueden producirse y catalizarse heterogéneamente reacciones químicas.
Por ejemplo, partiendo del MnCl2·4H2O, ácido bencenotricarboxílico y N,N-dimetilformamida, estas dos moléculas orgánicas se coordinan con el Mn2+ para formar un MOF.
Este MOF-Mn es capaz de catalizar la oxidación de alcanos y alquenos, como por ejemplo: ciclohexeno, estireno, cicloocteno, adamantano y etilbenceno, transformándolos en epóxidos, alcoholes o cetonas. Las oxidaciones ocurren dentro del sólido y sus intrincadas redes cristalinas (o amorfas).
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