25. Mangan (Mn) – Das Härtungselement

0:00 Willkommen zu einer neuen Folge von Wissensreise durch das Periodensystem, deinem Podcast zum Entspannen, Loslassen und lernen. Kennst du schon unsere anderen Schlafreisereien wie Schlafreise durch das Universum oder Schlafreise durch vergessene Welten? Falls nicht, lohnt sich ein Blick, sie nehmen dich mit auf Stille, Reisen durch Raum und Zeit, heute aber bleiben wir bei der Chemie, bei der Materie, bei den Bausteinen unserer Welt.

0:30 Denn heute reisen wir gemeinsam zu einem Element, das Unscheinbar klingt, aber in der Geschichte der Menschheit tiefgreifende Spuren hinterlassen hat. Mangan, Element Nummer 25 im periodensystem symbol MN das Härtungselement Mangan ist ein grauweißes, hartes und sprödes Übergangsmetall. Es steht im Periodensystem in der siebten Gruppe der Mangan Gruppe, in der vierten Periode direkt rechts neben Chrom und links neben Eisen.

1:02 Die Ordnungszahl. 25 bedeutet 25 protonen im atomkern 25 Elektronen in der Hülle, die Atommasse beträgt 54,938 Atommasseneinheiten Mangan ist ein reines Element. Es hat nur ein einziges stabiles Isotop Mangan 55. Diese Isotopenreinheit ist unter den Übergangsmetallen ungewöhnlich und macht Mangan zu einem sogenannten reinste Element oder mononuklid Element. Der Name Mangan leitet sich über das lateinische Manganesium aus dem griechischen und lateinischen ab. Mit Bezug auf die Region Magnesia in der griechischen Landschaft Thessalien, wo bereits in der Antike ein schwarzes Mineral gewonnen wurde. Dieses Mineral heute als Pyrolusit Mangandioxid Mno 2 bekannt, wurde von den alten Griechinnen und Griechen und Römerinnen und Römern zum

2:06 Entfärben von Glas verwendet, denn Mangan kann das grünliche Eisenoxid. In der Glasschmelze oxidieren und so farbloses, klares Glas erzeugen Kleopatra und Caesars Hof sahen die Welt durch Glas, dessen Reinheit dem Mangan verdankt wurde, ohne es zu wissen. Die wissenschaftliche Entdeckung des Mangans als eigenständiges Element datiert auf das Jahr. 1700. 74 der schwedische Chemiker Karl Wilhelm Scheele erkannte als erster, dass das schwarze Mineral Pyrrolusit. Ein bislang unbekanntes Metall enthalten müsse, das sich von Eisen und anderen bekannten Metallen unterschied. Es war jedoch sein Landsmann, der schwedische Chemiker Johann Gottlieb Garn, der im selben Jahr als erster reines Mangan durch die Reduktion von

2:58 Manganioxid mit Holzkohle isolierte. Scheele hatte die theoretische Grundlage gelegt, Garn führte die praktische Isolierung durch. Eine produktive Arbeitsteilung, wie sie in der Wissenschaftsgeschichte häufig begegnet. Der Begriff Manganerz tauchte jedoch schon deutlich früher in historischen Quellen auf, im Mittelalter und in der frühen Neuzeit wurde Mangandioxid als Braunstein bezeichnet und von Glasmachern, Keramikmalerinnen und Keramikmalern sowie Töpferinnen und Töpfern verwendet. Die chemische Identität des darin enthaltenen Elements blieb aber bis ins 18 Jahrhundert verborgen. Interessant ist auch die Verwechslungsgeschichte zwischen Mangan und Magnesium.

3:45 Beide Namen leiten sich aus der Region Magnesia ab und beide Elemente wurden aus Mineralien dieser Gegend bekannt. Die. Klare Unterscheidung zwischen den beiden Elementen und ihren Verbindungen gelang erst durch die systematische Arbeit von Chemikern wie Schele und Garn. Mangan ist ein ungewöhnliches Metall.

4:06 Seine Dichte beträgt 7,21 Gramm pro Kubikzentimeter, ähnlich wie Chrom und nahe an Eisen. Der Schmelzpunkt liegt bei 1246 Grad Celsius, der Siedepunkt bei 2061 Grad Celsius deutlich niedriger als bei den benachbarten Übergangsmetallen Chrom und Eisen. Das macht Mangan zu einem der am leichtesten Schmelzbaren Übergangsmetalle dieser Gruppe.

4:36 Was Mangan physikalisch besonders macht, ist seine Kristallstruktur, reines Mangan existiert bei Raumtemperatur in einer äußerst komplexen kubischen Modifikation, dem sogenannten Alpha Mangan, das mit 58 Atomen pro Einheitszelle eine der kompliziertesten Elementkristallstrukturen überhaupt darstellt. Diese Komplexität ist mitverantwortlich für die Sprödigkeit des reinen Metalls.

5:04 Mangan lässt sich im Reinzustand kaum verformen, Splittert und bricht leicht, erst in Legierungen, etwa mit Eisen, Stahl oder Kupfer entfaltet Mangan seine außerordentlichen mechanischen Qualitäten. Mangan durchläuft beim Erhitzen mehrere Phasenübergänge. Alpha Mangan bei Raumtemperatur wandelt sich bei etwa 727 Grad Celsius in Beta Mangan, um dann bei 1079 grad in Gammamangan und schließlich kurz vor dem Schmelzen in Delta Mangan. Jede dieser Phasen hat eine andere Kristallstruktur und andere physikalische Eigenschaften, ein Verhalten, das in der Materialwissenschaft als Polymorphismus bezeichnet wird.

5:50 In puncto Magnetismus zeigt Mangan ein faszinierendes Verhalten unterhalb von etwa -123 Grad Celsius 150 Kelvin ist Alpha Mangan ein Antiferromagnet, bei höheren Temperaturen geht es in einen paramagnetischen Zustand, über reines Mangan ist damit bei Raumtemperatur nicht magnetisch, obwohl seine nachbarelemente Chrom und Eisen magnetische Eigenschaften besitzen. Kaum ein Element des Periodensystems ist chemisch so flexibel wie Mangan.

6:25 Es kann in den oxidationsstufen 310 + 1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6 und plus 7 auftreten, ein enorm weites Spektrum, die praktisch wichtigsten sind plus 2 + 4 und plus 7. Mangan 2 ist die stabilste und häufigste Form in wässriger Lösung, die. Mnc 2 plus Ionen sind hellrosa gefärbt und kommen in zahlreichen Mineralsalzen vor.

6:57 Mangan 4 findet sich vor allem im Mangandioxid Mno 2, dem wichtigsten Manganmineral und zugleich einem bedeutenden Elektrodenmaterial in Batterien. Mangan 7 schließlich ist die am stärksten oxidierende Form bekannt, vor allem als Kalium per Manganat K. Mno 4. Einem Tiefvioletten bis fast schwarzen Salz, das als Oxidationsmittel Desinfektionsmittel und Analysereagenz weit verbreitet ist.

7:28 Kaliumpermanganat ist in der Chemie eine Ikone. Wird eine Kristall in Wasser gegeben, löst sich ein tiefvioletter Farbschlier ins Wasser, eine der eindrücklichsten Farbreaktionen der Chemie. Als starkes Oxidationsmittel reagiert Permanganat lebhaft mit organischen Verbindungen. Wasserstoffperoxid und reduzierten Metallen in der qualitativen Analyse dient es zur Titration in der Wasseraufbereitung, zur Oxidation von Eisen, Mangan und organischen Verunreinigungen in der Medizin als antiseptisches Mittel bei Hauterkrankungen und Wundinfektionen. Mangan ist das zwölfthäufigste Element in der Erdkruste. Und kommt dort in einer durchschnittlichen Konzentration von etwa 950 Milligramm pro

8:17 Kilogramm vor. Damit ist es häufiger als Nickel, Kupfer oder Zink, es findet sich in über 300 Mineralien, am wichtigsten sind Pyrolusit, Mno, 2, Braunstein, rhodonit, mn, SAS, IO 3 und rhodocrosit Mnco 3 rhodocrosit, auch Inkarhonit genannt. Ist ein wunderschönes Rosenrotes bis dunkelrotes Mineral, das als Schmuckstein und Sammlerstück geschätzt wird. Die wichtigsten manganerts Lagerstätten befinden sich in Südafrika Kalahari Manganfeld, das größte bekannte Landvorkommen der Welt in Australien, in der Ukraine, in Indien, in Gabun und in China die globale Jahresproduktion an Manganerts beläuft sich auf über 20000000 Tonnen. Ein außergewöhnliches und futuristisch anmutendes Vorkommen sind die Manganknollen

9:14 auf dem Tiefseeboden. Diese Kartoffelgroßen Schwarzbraunen Konkremente bedecken weite Teile des Pazifischen Ozeans in Tiefen von 4000 bis 6000 Metern, sie entstehen über Millionen von Jahren durch extrem langsames Ausfällen von Metallionen aus dem Meerwasser, um einen Kern, oft ein Haifischzahn. Oder ein korallenbruchstück Manganknollen enthalten nicht nur Mangan, 20 bis 30%, sondern auch erhebliche Mengen an Nickel, Kupfer, Kobalt und Seltenen Erden. Das geschätzte Gesamtvolumen der Manganknollen im Pazifik übersteigt 500 Milliarden Tonnen, ein gewaltiges Rohstoffreservoir, das allerdings aus ökologischen Gründen umstritten ist, da der tiefseeabbau empfindliche Ökosysteme zerstören würde.

10:08 Die Verhüttung von Mangan zur Gewinnung von Ferromangan und reinem Mangan erfolgt durch carbothermische Reduktion im Elektrolichtbogenofen. Ähnlich wie bei anderen Übergangsmetallen Elektrolytisches Mangan höchster Reinheit wird durch Elektrolyse aus Mangansulfatlösungen gewonnen, die vielleicht bedeutendste Anwendung von Mangan in der Geschichte der Menschheit ist seine Rolle in der Stahlherstellung. Diese Geschichte beginnt im Jahr. 1856 mit einem der Folgenreichsten Missgeschicke der Industriegeschichte. Robert Forrester Mouchette, ein britischer Metalurg und Tüftler, entdeckte fast zufällig, dass Stahl, der zu viel Schwefel und Sauerstoff enthielt und daher brüchig und unbrauchbar war, durch Zugabe von Spiegeleisen

10:58 einem eisenreichen Ferromongan geheilt werden konnte. Mangan. Reagiert bevorzugt mit Schwefel zu Mangansulfid Mns und mit Sauerstoff zu Manganoxid, die beide als Schlacke aus dem Stahl austreten. Ohne Muschet und Mangan wäre Henry Bessemers revolutionäres Konverterverfahren zur Massenstahlproduktion möglicherweise gescheitert. Heute enthält nahezu jeder Stahl Mangan in Mengen, von 0,2 bis über 2%.

11:31 Mangan wirkt dabei als Desoxidations und Entschwefelungsmittel, verbessert die Warmverformbarkeit des Stahls und erhöht Festigkeit und Härtbarkeit. Ein besonders beeindruckendes Beispiel ist der sogenannte Headfield Stahl oder Manganhartstahl der 1882 von Robert Headfield entwickelt wurde und 11 bis 14% Mangan enthält.

11:56 Dieser Stahl zeigt ein bemerkenswertes Phänomen, er ist zunächst zäh und. Und wenig hart, aber unter mechanischer Beanspruchung. Also genau dann, wenn er gestaucht oder gehämmert wird, verfestigt er sich drastisch durch Verformungshärtung. Dieses selbstverstärkende Verhalten macht headfield Stahl ideal für extrem beanspruchte Teile wie Eisenbahnweichen, Bergbauausrüstungen, Brecherkegel und Panzerplatten. Er ist heute noch in Betrieb und wurde seit seiner Erfindung kaum verbessert, ein Zeugnis seiner Genialität. Mangan spielt auch in der Energiespeicherung eine wichtige und wachsende Rolle.

12:35 Mangan Dioxid Mo, 2, ist seit mehr als 150 Jahren ein bewährtes Kathodenmaterial in Trockenbatterien, den klassischen Zinkkohlebatterien und den verbesserten Alkalie Mangan Batterien, die heute in Haushaltsgeräten, Fernbedienungen und Spielzeug allgegenwärtig sind. Allein die globale Produktion von Alkali Mangan Batterien beläuft sich auf Dutzende Milliarden Stück pro Jahr.

13:04 In der modernen Batterieforschung rückt Mangan als Schlüsselkomponent von Lithium Ionen Batterien in den Vordergrund, Lithium Manganoxid Limen 2 o 4 Spinellstruktur und Lithium, Nickel, Mangan, Kobalt, oxid NMC. Gehören zu den meistgenutzten Kathodenmaterialien in Elektrofahrzeugen und stationären Energiespeichern.

13:30 Nmc Kathoden kombinieren die Energiedichte von Nickel, die Stabilität von Mangan und die Leitfähigkeit von Kobalt, ein Balanceakt auf atomarer Ebene, der die Leistungsfähigkeit moderner E. Autobatterien bestimmt. Die Forschung an Manganreichen Kobaltarmen Kathodenmaterialien. Ist eines der heißesten Felder der Batteriewissenschaft da Kobalt teuer, geopolitisch problematisch und mit ethisch fragwürdigen Abbaubedingungen verbunden ist, während Mangan deutlich günstiger und verfügbarer ist.

14:06 Darüber hinaus gelten Manganbasierte Kathoden als vielversprechend für die kommende Generation der Natrium Ionen Batterien, eine Technologie, die perspektivisch ohne Lithium auskommt. Und damit die Abhängigkeit von diesem kritischen Rohstoff verringern könnte. Mangan ist ein essentielles Spurenelement für alle bekannten Lebewesen, im menschlichen Körper beträgt der Gesamtgehalt an Mangan nur etwa 10 bis 20 Milligramm, verteilt auf Knochen, Leber, Bauchspeicheldrüse und Nieren.

14:39 Dennoch ist Mangan für mehrere lebenswichtige biochemische Prozesse unverzichtbar. Es ist Kofaktor zahlreicher Enzyme, darunter die Aginase, die im Harnstoffzyklus das Aginin zu Harnstoff und Ornithin spaltet, die Pyruvatcarboxylase, die für die Gluconeogenese bedeutsam ist, sowie die Superoxiddismutase Mnsod, ein mitochondriales Enzym, das reaktive Sauerstoffspezies neutralisiert und damit Zellen vor oxidativem Stress schützt. Die Mnsod ist eine der wichtigsten antioxidativen Verteidigungslinien der Zelle und Mangan ist ihr aktives Zentrum.

15:25 Für die Photosynthese ist Mangan sogar von zentraler Bedeutung im Photosystem 2 der Pflanzen, Algen und Cyanobakterien sitzt ein Mangan Calciumcluster aus 4 Manganatomen und einem Calciumatom, der die Wasseroxidation katalysiert. Jenen Schritt der Photosynthese, bei dem Wasser in Sauerstoff, Protonen und Elektronen gespalten wird.

15:51 Der Sauerstoff, den wir atmen, wurde zu einem großen Teil durch diesen Mangancluster erzeugt, das ist keine Übertreibung, alle heute in der Erdatmosphäre vorhandenen 21% Sauerstoff gehen letztlich auf diesen biochemischen Prozess zurück, der vor etwa 2,4 Milliarden Jahren im Zuge der sogenannten großen Sauerstoffkatastrophe. Die Erdatmosphäre revolutionierte ein Mangelmangel.

16:16 Bei Menschen äußert sich in Wachstumsstörungen, verminderter Knochenmineralisierung, gestörter Glukosetoleranz und Beeinträchtigter Reproduktionsfunktion ein Übermaß an Mangan, etwa durch berufliche Exposition gegenüber Manganstaub in Bergbau oder schweißen, kann dagegen zu einer Erkrankung führen, die dem Parkinson Syndrom ähnelt, dem sogenannten Manganismus. Einer irreversiblen Schädigung des extra pyramidal motorischen Systems im Gehirn.

16:47 Und nun begeben. Wir uns auf eine Reise zurück. Weit zurück. In die Höhlen des Paläolithikums vor mindestens 30000 Jahren die ältesten bekannten Höhlenmalereien der Menschheit wie jene in der Höhle von Altamira in Spanien und in Lascaux in Frankreich, wurden mit Pigmenten aus Manganoxiden und Eisenoxiden erschaffen.

17:10 Das tiefe Schwarz. In diesen Malereien stammt von Pyrolucid und anderen Manganerzen, die die Künstlerinnen und Künstler der Altsteinzeit zermalten. Mit tierischem Fett vermischten. Und auf Felswände auftrugen. Noch älter sind Funde aus der Blombosshöhle in Südafrika. Dort fanden Archäologinnen und Archäologen Manganoxidstücke, die offenbar als Farbstifte genutzt wurden.

17:36 Sie datieren auf vor etwa 70000 bis 100000 Jahren. Mangan war damit möglicherweise das erste Pigment, das je vom Menschen als Kunstmaterial genutzt wurde. In gewissem Sinne begann die bildende Kunst der Menschheit mit diesem Element auch in der Töpferei und Keramik spielte Mangan seit der Antike eine Rolle.

17:59 Manganoxid verleiht Glasuren ein tiefes schwarzbraun bis violett und wurde in antiken Kulturen. Rund ums Mittelmeer als Dekorpigment eingesetzt über Stahl und Batterien hinaus findet Mangan in einer Vielzahl von industriellen Anwendungen Verwendung. In der Aluminiumindustrie wird Mangan als Legierungszusatz eingesetzt, legiertes Aluminium mit etwa 1,2% Mangan, die Legierung e naw 3003.

18:33 Ist Korrosionsbeständiger und fester als reines Aluminium und wird für Getränkedosen, Wärmetauscher und Dachverkleidungen verwendet. Die typische Getränkedose aus Aluminium enthält also Mangan in der chemischen Industrie dient Kaliumpermanganat als vielseitiges Oxidationsmittel in der organischen Synthese bei der Wasseraufbereitung, als Desinfektionsmittel und in Kombination mit anderen Substanzen. Bei der Herstellung von Feinchemikalien und Pharmazeutika Mangandioxid wird in der Keramik und Glasindustrie sowohl als Entfärbungsmittel als auch als Färbemittel eingesetzt. In geringen Mengen oxidiert es eisenverbindungen und macht Glas farblos, in höheren Konzentrationen erzeugt es violette bis schwarze Farbtöne.

19:26 Glasmacherinnen und Glasmacher der Antike bis zur Neuzeit nannten Mno 2 deshalb treffend den Glasseifenstein. In der Trocknungsmittelchemie werden Mangansalze als Sekative eingesetzt, Katalysatoren, die die Oxidationshärtung von Leinöl basierten Farben und Lacken beschleunigen. Auch in manchen Futtermittelzusätzen und Düngemitteln ist Mangan als Mikronährstoff enthalten, da Manganmangel in Böden. Die Ernteerträge vieler Kulturpflanzen erheblich reduziert wie alle Elemente mit Ordnungszahl größer als Wasserstoff wurde auch Mangan in Sternen erzeugt. Mangan entsteht hauptsächlich durch Thermonukleare Verbrennungsprozesse in massereichen Sternen, insbesondere durch Silizium verbrennen kurz vor dem Kollaps als Supernova.

20:20 Ein Teil des kosmischen Mangans stammt auch aus Typ 1 a. Supernova der Explosion von Weißen Zwergen in Doppelsternsystemen. In Meteoriten wurde Mangan in verschiedenen Isotopenverhältnissen gefunden, die Rückschlüsse auf die nukleosynthestische Geschichte unseres Sonnensystems erlauben. Das radioaktive Isotop Mangan 53, das mit einer Halbwertszeit von 3,7 Millionen Jahren zu Chrom 53 zerfällt, dient als kosmochemische Uhr zur Datierung früher Prozesse. In der Entstehung unseres Sonnensystems. Die Messung von Chrom 53 Überschüssen in Meteoriten erlaubt es, die Zeitskala der frühen Planetendifferenzierung auf wenige Millionen Jahre genau zu bestimmen. In der Sonnenatmosphäre ist Mangan Spektroskopisch nachweisbar.

21:17 Auch auf dem Mars wurden durch Rover Analysen erhöhte Mangankonzentrationen in Sedimentgesteinen entdeckt. Ein Hinweis auf frühere oxidative Bedingungen und möglicherweise auf eine wässrige Vergangenheit des Roten Planeten. Und so kommen wir, wieso oft auf diesen Wissensreisen an einem Punkt an, der über die Chemie hinausweist? Mangan ist überall im Stahl unserer Brücken, in den Batterien unserer Elektroautos, in den Höhlenmalereien unserer ältesten Vorfahren, in den Chloroplasten jedes grünen Blattes, in den Tiefen des Ozeans. Es ist ein Element, das die Erde selbst erschaffen hat, über Milliarden von Jahren tektonischer Prozesse, hydrothermaler Aktivität und biologischer Evolution. Die Manganknollen auf dem

22:08 Meeresboden beispielsweise sind in vielen 1000 Jahren gewachsen. Die Ökosysteme der Tiefsee, die sie umgeben, seegurken, Seesterne, spezialisierte Krebse und Bakterien haben sich über Jahrmillionen entwickelt und sind auf die spezifischen Bedingungen des Tiefseebodens angewiesen. Ein einziger industrieller Abbauvorgang könnte diese einzigartigen Lebensräume für Jahrhunderte, vielleicht für immer zerstören. Und die wirtschaftliche Logik des schnellen Profits ist dabei ein schlechter Ratgeber.

22:42 Mangan erinnert uns daran, dass die Rohstoffe dieser Erde nicht nur wirtschaftliche Ressourcen sind, sondern Teile eines komplexen, vernetzten Planetensystems, dessen Gleichgewichte sich über unvorstellbar lange Zeiträume entwickelt haben. Unsere Erde ist nicht unerschöpflich, sie ist endlich verwundbar und das Kostbarste, was wir haben, jede Entscheidung.

23:06 Die wir im Umgang mit ihren Ressourcen treffen, hat Konsequenzen, die weit über unsere eigene Lebenszeit hinausreichen. Mangan das Härtungselement ist letztlich auch eine Metapher, es verleiht dem Stahl seine Festigkeit, indem es ihn von innen heraus stärkt. Vielleicht gilt das auch für uns, wenn wir die Erde wirklich verstehen, ihre Chemie, ihre Geschichte, ihre Verletzlichkeit, dann wächst auch in uns eine Festigkeit.

23:36 Eine Entschlossenheit, sorgfältig mit ihr umzugehen. Für uns selbst, für die kommenden Generationen und für alle Lebewesen, die diesen Planeten mit uns teilen. Danke, dass du heute dabei warst, bei der Wissensreise durch das Periodensystem, wenn dir diese Folge gefallen hat, freue ich mich sehr darüber, wenn du dem Podcast folgst.

23:56 Auf Spotify, Apple Podcasts oder wo immer du deine Lieblingspodcasts hörst. Und wenn du eine Bewertung hinterlässt, hilfst du dabei, dass noch mehr neugierige Menschen diese Reisen durch die Welt der Elemente entdecken können. Empfiehl die Folge gerne weiter an Freundinnen und Freunde, an Schülerinnen und Schüler, an alle, die Wissenschaft lieben oder neu entdecken möchten, bis zur nächsten Wissensreise bleib neugierig, bleib achtsam und pass gut auf dich und diese wunderbare Erde auf.