25 Mn 锰 54.938
过渡金属 d区 第4周期 第7族

锰

Mn · 元素25 · 过渡金属

微量时不可或缺,大量时却很脆,也是你的钢材不会在寒冷中碎裂的原因。

20°C时的状态 固态
原子量 54.938 u
电子排布[Ar] 3d⁵ 4s²

结构

锰原子

这不是环上点阵图,而是对每个已占据亚层的实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样。拖动即可旋转。蓝色和紫色表示波函数的相反符号,这正是成键成为可能的原因。

轨道云

测量值

属性表

每个条形图显示锰在全部118种元素中该属性所处的位置。

物理

密度 7.21 g/cm³ 45%
熔点 1519 K 65%
沸点 2334 K 49%
比热容 0.479 J/g·K
热导率 7.82 W/m·K 21%

原子

原子半径 127 pm 19%
共价半径 139 pm
范德华半径 197 pm

电子

电负性 1.55 47%
电离能 716.9 kJ/mol 55%
电子亲和能 —

存在情况

地壳中的丰度 950 mg/kg 90%

身份

符号Mn
原子序数25
原子量54.938 u
类别过渡金属
区d
晶体结构体心立方
氧化态-3, -1, 0, +1, +2, +3, +4, +5, +6, +7
发现1774
发现者Johan Gottlieb Gahn

来源:IUPAC 2021标准原子量、CRC《化学与物理手册》、NIST。标有~的数值为预测值,而非测量值。

尺寸,按比例显示

锰的原子有多大?

半径127 pm——即0.127 nm,因此大约3.94百万个这样的原子并排起来才有一毫米长。

温度范围

固态、液态、气态——以及转变时机

锰在815 K的范围内呈液态,温度从1519 K到2334 K。

所在位置

在表中的位置

锰位于第4周期、第7族。 第7族中的所有元素具有相同的最外层电子数,因此它们的性质非常相似。

其他过渡金属

所有过渡金属

背后的故事

锰是什么,以及我们如何发现它

锰是炼钢业中默默无闻的英雄,也是让智能手机电池正常工作的秘密成分!这种坚硬、脆且呈银灰色的金属对现代文明至关重要——几乎所有钢材都含有锰;没有锰,我们的基础设施真的会崩塌。尽管锰是地球上丰度排名第12位的元素,但它常常被忽视,实际上它存在于从摩天大楼的钢梁到电动汽车电池的各种物品中。 锰于1774年由瑞典化学家Johan Gottlieb Gahn发现。由于性质相似,锰最初曾与镁和铁混淆。其名称源自拉丁语“magnes”,意为磁石,不过纯锰实际上只有微弱磁性。这种元素之所以极其重要,是因为它能够在炼钢过程中去除钢材中的硫和氧杂质,就像分子清洁队一样发挥作用。 这里有一个令人惊叹的事实:锰的氧化态数量几乎比其他任何元素都多,范围从−3到+7!这种非凡的多样性使它可用于从紫色玻璃(Mn³⁺)到高效氧化剂高锰酸钾(Mn⁷⁺)等领域;高锰酸钾可以对水进行消毒并处理伤口。 锰在生物学中也发挥着重要作用。它是所有生物都必需的微量元素,帮助植物进行光合作用,并使人体能够处理碳水化合物和脂肪。含锰酶对骨骼形成、伤口愈合和抗氧化保护至关重要。锰缺乏可能导致骨骼异常和生殖问题。 海底实际上覆盖着数万亿吨锰结核——这些土豆大小的岩石含有锰、铁、镍和铜,经过数百万年逐渐形成。这些结核可能成为深海采矿的未来,不过其环境影响仍在研究之中。

锰的发现

瑞典人的发现

Johan Gottlieb Gahn于1774年通过二氧化锰的碳还原法分离出金属锰,不过Carl Wilhelm Scheele等人更早就认识到了这种元素。Gahn的系统研究确立了锰是一种独立元素,而不是铁或其他已知金属的某种形式。

工业发展

商业化锰生产始于19世纪40年代的锰铁冶炼,彻底改变了钢铁生产。20世纪初电弧炉的发展使锰合金能够高效生产,支持了工业化时期钢铁工业的快速扩张。

用途

锰的用途

锰:钢铁净化剂

锰是钢铁不可或缺的伙伴,能够去除有害的硫和氧,同时强化构建现代世界所需的铁合金。这种多用途元素凭借独特的冶金和化学性质,使铁路轨道、铝制饮料罐等产品成为可能。

钢铁生产必需品

锰铁含有75-80%的锰,是钢铁生产中主要的脱氧剂和脱硫剂,可去除否则会导致脆化和热裂纹的杂质。每生产一吨钢需要6-9 kg锰,因此钢铁生产是全球最大的锰消费领域。含有11-14%锰的锰钢具有非凡的加工硬化性质,非常适合用于采矿设备、铁路道口和军事装甲等对抗冲击性能要求极高的场合。

铝合金应用

含有0.8-1.5%锰的3000系铝合金具有优异的耐腐蚀性和成形性,适用于饮料罐、汽车车身板和建筑用途。锰能够防止铝加工过程中的晶粒长大,保持强度,并防止成形操作中出现橘皮状表面缺陷。

电池技术

碱性电池采用二氧化锰(MnO₂)正极,利用锰在放电过程中接受电子的能力提供稳定的1.5V输出。锂离子电池越来越多地采用锰基正极(LiMn₂O₄),以提升电动汽车应用中的安全性和热稳定性;锰有助于防止热失控。

化学催化

高锰酸钾(KMnO₄)是一种强氧化剂,用于水处理,从市政供水中去除铁、锰和有机污染物。二氧化锰可催化工业过程中的过氧化氢分解,并在有机化学合成中充当氧化催化剂。

锰:构建现代生活

  • 钢铁与建筑
    • 所有钢铁生产(脱氧剂和强化剂)
    • 铁路轨道和重型建筑设备
    • 采矿设备和破碎机械
    • 军事装甲和弹道防护
  • 铝制品
    • 饮料罐(Coca-Cola、Pepsi、啤酒罐)
    • 汽车车身板和装饰件
    • 建筑外墙和屋顶系统
    • 海洋工程应用和船体
  • 电池与电子产品
    • 碱性电池(AA、AAA、D型电池)
    • 电动汽车电池正极
    • 可充电电池系统
    • 电子设备电源
  • 化学工业
    • 水处理和净化系统
    • 工业氧化过程
    • 实验室分析试剂
    • 特种化学品制造
  • 农业与健康
    • 动物饲料补充剂(必需营养素)
    • 肥料和土壤改良剂
    • 营养补充剂
    • 医学成像造影剂

来源

自然存在

地壳中含量为950 mg/kg · 比90%的元素更丰富

锰:丰富且不可或缺

锰通过大质量恒星中的氧燃烧过程以及恒星演化期间的中子俘获反应形成。锰的宇宙丰度反映了其核稳定性,以及它在常规恒星聚变和超新星爆发事件中的多种核合成途径。

地球丰度

地壳中约含有1,050 ppm的锰,使其成为丰度排名第12位的元素。这种高浓度使锰广泛存在于岩石、土壤和水系统中,同时支持地质过程和生物功能。

主要锰矿床

沉积型锰矿床由古代海洋中的化学沉淀形成,占全球储量的80%。南非的卡拉哈里锰矿田拥有世界上最大的高品位矿床,由热液和沉积过程形成。澳大利亚皮尔巴拉地区的条带状铁建造中也蕴藏着丰富的锰资源。

海底资源

覆盖广阔深海海底区域的锰结核代表着巨大的潜在资源,其中含有24-30%的锰,以及镍、铜和钴。这些土豆大小的结核经过数百万年的极其缓慢的沉淀过程形成,不过深海采矿在技术和环境方面仍面临挑战。

生物循环

锰作为所有生物进行光合作用和酶发挥功能所必需的元素,积极参与地球的生物地球化学循环。土壤锰的有效性会影响植物生长和农业生产力,而海洋锰循环则会影响海洋化学和生产力。

处理

安全

锰安全:神经系统问题

锰中毒主要影响中枢神经系统,长期吸入暴露会导致锰中毒症——一种类似帕金森病的疾病。虽然锰是维持健康所必需的,但职业暴露需要进行仔细监测和控制。

健康影响

长期锰暴露会导致不可逆的神经系统损伤,包括震颤、肌肉僵硬和精神症状。锰铁生产和焊接作业通过吸入含锰粉尘和烟雾,带来最高的暴露风险。

暴露限值

  • OSHA PEL:锰化合物的上限为5 mg/m³
  • NIOSH REL:锰粉尘和化合物为1 mg/m³(10小时TWA)
  • ACGIH TLV:锰及无机化合物为0.02 mg/m³(可吸入部分)

安全措施

呼吸防护、局部排风,以及通过检测血液和尿液中的锰含量进行生物监测,有助于防止神经系统损伤。及早发现并减少暴露,可以防止锰中毒症状进一步发展。

快速解答

锰:常见问题

锰是什么?

锰(符号Mn)是元素周期表中的第25号元素,属于4周期7族的过渡金属。 微量时不可或缺,大量时却很脆,也是你的钢材不会在寒冷中碎裂的原因。 在室温下为固态。

锰的电子排布是什么?

锰的基态电子排布为[Ar] 3d⁵ 4s²,共有4个已占据的电子层,电子分布为2, 8, 13, 2。

锰的熔点和沸点是多少?

锰在1519 K(1245.9 °C)熔化,在2334 K(2060.9 °C)沸腾。

锰的原子量是多少?

锰的标准原子量为54.938 u。这是其自然存在的同位素的加权平均值,因此通常不是整数。

锰的密度是多少?

锰的密度为7.21 g/cm³。水的密度为1.0 g/cm³,因此锰块约重7.2倍。

锰的电负性是多少?

锰的鲍林电负性为1.55。该标度范围为0.70(钫,吸引电子能力最弱)至3.98(氟,吸引电子能力最强)。 处于这一中间范围的数值通常对应共价键,而不是强离子键。

谁发现了锰,是在什么时候?

锰由Johan Gottlieb Gahn于1774年发现。 它以拉丁语magnes,意为“磁石”命名。

锰在地球上有多常见?

锰约占地壳的950 mg/kg——含量足够高,可以进行规模化开采。