Mangan (von franz. manganèse „schwarze Magnesia“) ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol Mn und der Ordnungszahl 25.

Geschichte

Manganverbindungen werden seit Jahrtausenden vom Menschen genutzt. Farben mit Manganpigmenten aus Mangandioxid können 17000 Jahre zurückverfolgt werden. Römer und Ägypter verwandten Manganverbindungen in der Glasherstellung zur Färbung und Entfärbung. Spartaner nutzten manganhaltiges Eisenerz zur Herstellung ihrer Waffen. Dass die hohe Qualität der Waffen auf einer Eisen-Mangan-Legierung beruhte, muss als Spekulation angesehen werden.

Im 17. Jahrhundert stellte der Chemiker Johann Rudolph Glauber Permanganat her. Mitte des 18. Jahrhunderts nutzte man Manganoxid zur Herstellung von Chlor. Auf Anregung des schwedischen Chemikers Carl Wilhelm Scheele, der 1774 entdeckte, dass Braunstein kein Eisenerz ist, sondern ein bis dahin unbekanntes Metall enthalten müsse, gelang es Johan Gottlieb Gahn noch im gleichen Jahr, erstmals elementares Mangan aus Braunstein durch Reduktion mit Kohle herzustellen. Anfang des 19. Jahrhunderts begann der Einsatz von Mangan zur Eisenherstellung. 1816 war die festigkeitssteigernde Wirkung ohne erhöhte Sprödigkeit bekannt.

Vorkommen

Weltweit gibt es sehr große Manganvorkommen. Am Aufbau der Erdkruste ist es mit etwa 900 ppm beteiligt und ist damit nach dem Eisen das zweithäufigste Schwermetall. Bekannte abbauwürdige Manganerzvorkommen befinden sich in

• Südafrika (Hotazel)
• Georgien (Tschiatura)
• Russland
• Ukraine
• Australien (Groote Eylandt)
• Brasilien
• Gabun
• Indien
• Volksrepublik China
• Mexiko
• Burkina Faso
• Ghana
• Marokko

Größere Mengen Mangan enthalten die Manganknollen der Tiefsee.

Deutschland ist arm an Manganerzen, nennenswerte Mengen finden sich z.B. im Siegerländer Spateisensteinbezirk, im mittleren Thüringer Wald nahe Ilmenau und im Harz Ilfeld.

Natürlich vorkommende Minerale:

• Pyrolosit MnO₂, eine der fünf Modifikationen des Mangandioxids
• Braunit Mn₂O₃, Manganit Mn₂O₃ · H₂0
• Hausmanit Mn₃O₄
• Manganspat (Rhodochrosit) MnCO₃
• Rhodonit MnSiO₃
• Psilomelan (der "schwarze Glaskopf"), ein Na-, K- und Ba- haltiges amorphes Mangandioxid

Gewinnung und Darstellung

Mangan hat eine hohe Affinität zum Sauerstoff. Manganerze können daher ebenso wie Chromerze nicht durch Kohle zum Element reduziert werden. Soweit möglich wird Ferromangan als Manganrohstoff eingesetzt.

Metallisches Mangan wird überwiegend durch Elektrolyse von Mangan(II)-sulfat-Lösungen hergestellt:

$\backslash mathrm\{2\; MnSO\_4\; +\; 2\; H\_2O\; \backslash rightarrow\; 2\; Mn\; +\; 2\; H\_2SO\_4\; +\; O\_2\}$

Weitere, aber selten genutzte Herstellwege sind die alumino- und silicothermische Reduktion.

Eigenschaften

Mangan_1.jpg

Mangan ist ein grau-weißes, hartes und sehr sprödes Schwermetall, in einigen Eigenschaften dem Eisen ähnelnd. Andere Quellen weisen absolut kohlenstofffreies Mangan als duktil aus.

Mangan kommt hauptsächlich in den Oxidationsstufen +2, +4 und +7 vor. Es existieren aber alle Oxidationsstufen von -3 bis +7, wodurch das Mangan das Element mit den meisten verschiedenen Oxidationsstufen ist. Zum Erreichen einiger der Oxidationszahlen benötigt man allerdings drastische Bedingungen. Chemisch verhält sich Mn²⁺ oft ähnlich dem Ca²⁺ und kann dieses auch in biologischen Systemen, z.B. im Knochen, ersetzen. Mn⁺⁷ in Form des Permanganats ist ein häufig genutztes und starkes Oxidationsmittel. Elementares Mangan ist relativ unbeständig. Von Wasser wird es unter Wasserstoffentwicklung angegriffen. In verdünnten, nichtoxidierenden Säuren löst es sich ebenfalls. In der Wärme reagiert es mit Bor, Kohlenstoff, Silizium, Stickstoff, Phosphor, Sauerstoff, Schwefel und den Halogenen. Mit Wasserstoff reagiert Mangan nicht unter Bildung eines Hydrides.

An Luft ist Mangan durch Bildung eines Oxidfilms (Schutzschicht) beständig.

Nachweis

Mangan-II-Kationen werden für die Nachweisreaktion im Kationentrenngang im sogenannten „Alkalischen Bad“ - einer Mischung aus konz. Wasserstoffperoxid und Natriumhydroxid - zum Mangan-IV-Kation oxidiert. Das Mangan-IV-oxid-hydroxid „Braunstein“ wird dann durch Kochen in konz. Salpetersäure gelöst und mit Blei-IV-oxid zum violetten Permanganat aufoxidiert:

1) Aufoxidation zum Mangan-IV-Kation im alkalischen Bad:

'''H₂O₂ + Mn²⁺ + 2 OH^- → MnO(OH)₂ (Niederschlag braun) + H₂O

2) Nachweis als Permanganat mit Blei-IV-oxid (oder ähnlich durch Oxidationsschmelze mit Soda und Salpeter):

Mn⁴⁺ + 3 PbO₂ + 2 H₂O → 2 MnO₄^- (rosaviolett) + 3 Pb²⁺ + 4 H⁺

Auch die Boraxperle wird zum qualitativen Nachweis einiger Metalle beim Kationentrenngang in der Analytische Chemie verwendet. In Anwesenheit von Mangan-Ionen färbt sie sich in der Oxidationszone violett.

Verwendung

Mangan ist wegen seiner hohen Affinität zu Schwefel und Sauerstoff sowie seiner werkstoffverbessernden Eigenschaften von hoher Bedeutung für die Metallindustrie. Ca. 90% bis 95% des erzeugten Mangans beziehungsweise Ferromangans gehen in die Eisen-, Stahl- und Sonderwerkstoffherstellung:

• Desoxidation und Entschwefelung von Eisen und Stahl
• preisgünstiger Nickelersatz in korrosionsbeständigen Edelstählen
• stark festigkeitssteigerndes Legierungselement in Stählen
• Kupfer-Mangan-(Nickel-)Legierungen beispielsweise Manganin für temperaturunabhängige Widerstände
• Aluminium-Mangan-Legierungen
• Ausdehnungslegierungen mit extrem hohen Ausdehnungskoeffizienten, zum Beispiel aktive Schalter aus Bimetall

Mangandioxid dient als Oxidationsmittel in Trockenbatterien.

Der Bedarf an Mangan wird in den nächsten Jahren nicht sinken, da keine ökonomisch sinnvollen Ersatztechnologien bekannt sind.

Physiologie

Gebundenes Mangan ist ein essentielles Spurenelement für alle Lebensformen. Es aktiviert Enzyme und steigert die Verwertung des Vitamin B1, wichtig ist es für die Insulinproduktion der Bauchspeicheldrüse.

Der menschliche Körper enthält etwa 300 ppm Mangan, das meiste davon befindet sich in den Knochen. Täglich sollten ungefähr 4 mg aufgenommen werden. Manganreich sind Nüsse, Vollkornprodukte, Keimlinge, Erdbeeren und Kakao. Milch, Mineralwässer und manche Trinkwässer sind manganarm.

Sicherheitshinweise

Mangan ist im Vergleich zu vielen anderen Schwermetallen relativ unproblematisch. Die Gefährlichkeit der meisten Verbindungen ist gering und es wurden praktisch noch nie Vergiftungsfälle durch orale Aufnahme von Manganverbindungen bekannt. Chronische Manganaufnahme über die Atemwege als Staub ist hingegen toxisch und führt zu Manganismus. Diese Krankheit befiel vor allem Bergarbeiter, aber auch Mitarbeiter von Batteriefabriken und zeigt sich vor allem durch motorische Störungen ähnlich des Morbus Parkinson durch Anreicherung des Mangans in den Basalganglien. Im Gegensatz zum Morbus Parkinson ist der Manganismus aber gegenüber den herkömmlichen Therapieformen (Levodopa) resistent. Der Kontakt mit Permanganat kann zu Verätzungen führen.

Verbindungen

• Kaliumpermanganat wird als starkes Oxidationsmittel im Laborbereich eingesetzt. Es wird auch als tropische Medizin verwendet, zum Beispiel bei der Behandlung von Fischvergiftungen.
• Mangandioxid wird genutzt als Oxidationsmittel in Trockenzellen (Batterien vom Typ Zink-Kohle, Alkali-Mangan und Lithium). Als Glasmacherseife wird es zur Entfärbung von eisenhaltigen Glasschmelzen eingesetzt. Es kompensiert die gelbe Farbe der Fe³⁺ Ionen durch eine violette Färbung.
• Ferromangan als Legierungszuschlag in der metallurgischen Industrie.
• Himbeerspat (Rhodochrosit, Mangancarbonat) rosa bis blutrotes Mineral zur Herstellung von Schmucksteinen.

Weblinks

• WebElements.com - Manganese
• Mangan (Periodensystem für den Schulgebrauch, Illustrationen)
• EnvironmentalChemistry.com - Manganese
• International Manganese Institute
• Poisoned workers in South African
• Bild in der Elementesammlung von Pniok.de
• Mineralienatlas - Mangan
• www.wissenschaft.de: Vom Nichtleiter zum Leiter und wieder zurück Magnetfeld entscheidet, wie sich Manganoxid verhält

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