آلیاژهای منگنر (Manganese Alloy: )
مقدمه :
منگنز ، عنصر شیمیایی است که در جدول تناوبی ، دارای نشان Mn و عدد اتمی 25 می‌باشد. منگنز فلزی است که به طور گسترده ای در بافت های بدن گیاهان و حیوانات وجود دارد. این فلز یک مادهٔ معدنی کمیاب نامیده میشود زیرا به مقدار بسیار کم در بدن انسان یافت میشود. بدن ما تقریباً حدود ۲۰ میلی گرم منگنز، به طور عمده در استخوان ها، ذخیره دارد. منگنز در تشکیل بافت همبند چربی و کلسترول، استخوان،عوامل انعقاد خون و پروتئین نقش دارد. این ماده همچنین برای عملکرد طبیعی مغز ضروری است. منگنز جزئی از ترکیب منگنز سوپر اکسید دیسموآت (MnSaD) است. این ترکیب یک ضد اکسیدان است که بدن را از مواد سمی حفظ می کند. به دست آوردن مقدار کافی منگنز از رژیم غذایی، کار ساده ای است.
تاریخچه
منگنز از ماقبل تاریخ مورد استفاده بوده است. رنگهایی که از رنگدانه‌های دی‌اکسید منگنز ساخته شده‌اند، به 17000 سال پیش برمی‌گردند. مصریان و رومیان ، ازترکیبات این عنصر در شیشه‌سازی ، چه برای رنگ‌آمیزی آن و چه برای از بین بردن رنگ آن استفاده می‌کردند. منگنز که می‌توان آنرا در کانی‌های آهن یافت، توسط اسپارتها بکار می‌رفت. بعضی افراد بر این باورند که سختی استثنائی فولاد اسپارتان ، ناشی از تولید ناخواسته یک آلیاژ آهن – منگنز می‌باشد.
در قرن 17، ابتدا "Glauber" شیمیدان آلمانی ، یک معرف آزمایشگاهی سودمند به نام پرمنگنات را تولید نمود. تا اواسط قرن 18، از اکسید منگنز برای تولید کلر استفاده می‌شد. برای اولین بار" Scheele" شیمیدان سوئدی متوجه شد که منگنز یک عنصر است و همکارش "J. G. Gah" در سال 1774 با کاهش دی‌اکسید منگنز بوسیله کربن ، موفق به تهیه نوع خالص این عنصر گشت.
تقریبا" در آغاز قرن 19، دانشمندان استفاده از منگنز را در فولادسازی مورد بررسی قرار دادند که آن زمان ، حقوق انحصاری برای کاربردهای آن واگذار شد. در سال 1816 متوجه شدند، افزودن منگنز به آهن بدون تغییر درمیزان شکنندگی آن ، باعث استحکام بیشتر آهن میشود. [1]
پیدایش
منابع زمینی منگنز ، بسیار زیاد اما بطور نامنظمی پراکنده شده‌اند؛ منابعی که در آریکا واقع شده‌اند، نامرغوب بوده و تهیه آن گران است. آفریقای جنوبی و اوکراین بیش از 80% منابع شناخته شده جهان را دارا هستند؛ آفریقای جنوبی بدون در نظر گرفتن چین و اوکراین بیش از 80% کل آنرا تولید می‌کند. منابع واردات آمریکا ( 2001- 1998) : سنگ معدن منگنز : گابن 70% ، آفریقای جنوبی 10% ، استرالیا 9%، مکزیک 5% و سایر کشورها 6%. فرومنگنز : آفریقای جنوبی 47% ، فرانسه 22%، مکزیک 8%، استرالیا 8% و سایر کشورها 15%. منگنز موجود در کل واردات منگنز: آفریقای جنوبی 31% ، گابن 21%، استرالیا 13% ، مکزیک 8% و سایر کشورها 27%.منگنز در بورکینوفاسو استخراج میشود. مقادیر بسیار زیادی منگنز در سختگاههای منگنز واقع در کف اقیانوسها وجود دارد. در سال 1970، تلاشهایی که برای یافتن روشهای عملی و اقتصادی بهره‌برداری از سختگاههای منگنز انجام می‌شد، متوقف گشت.
خواص فیزیکی
مَنگَنِز عنصری با عدد اتمی ۲۵، وزن اتمی ۵۴/۹۳۸۰، دمای ذوب ۱۲۴۴ºC، دمای جوش ۱۹۶۲ºC و چگالی ۷/۲g/cm3 است. این عنصر جزو فلزات واسطه بوده و کانی اصلی آن پیرولوزیت است.
مصرف عمدهٔ این عنصر در فولادسازی است و در تهیهٔ آلیاژها نیز بکار می‌رود. اطلاعات بیشتر؟
خواص شیمیایی
نماد شمیایی Mn
منگنز یکی از فلزات واسطهٔ الکتروپوزیتیو گروه VII است که پیکربندی الکترونی 3d54s2 دارد. (Mn(II و (Mn(III کمپلکس‌های فراوانی تشکیل می‌دهند. ترکیبات (Mn(II صورتی کمرنگ هستند. ترکیبات (Mn(III قهوه‌ای رنگ بوده و واپیچیدگی یان-تلر از خود نشان می‌دهند. منگنز IV به MnO2، MnF4 و برخی دیگر از کمپلکس‌ها محدود میشود. [2]
خواص زیستی
منگنز فلزی است که به گونه گسترده‌ای در بافت‌های بدن گیاهان و جانوران هست. این فلز یک ماده معدنی کمیاب نامیده میشود زیرا به مقدار بسیار کم در بدن انسان یافت میشود. بدن ما کم وبیش نزدیک 20 میلی گرم منگنز، به گونه بزرگ در استخوان ها، اندوخته دارد. منگنز در پایه ریزی بافت همبند چربی و کلسترول، استخوان،عوامل لختگی خون و پروتئین نقش دارد. این ماده همچنین برای عملکرد طبیعی مغز بایسته است. منگنز جزئی از ترکیب منگنز سوپراکسید دیسموتاز (MnSOD) است. این ترکیب یک آنتی اکسیدانت است که بدن را از رادیکال های آزاد نگهداری می‌کند. به دست آوردن مقدار کافی منگنز از رژیم غذایی، کار ساده‌ای است.
خصوصیات قابل توجه
منگنز ، مانند آهن ، فلزی خاکستری‌رنگ است. فلزی است سخت و بسیار شکننده که به‌سختی ذوب اما به‌راحتی اکسیده میشود. فلزمنگنز فقط پس از پردازش خاصی فرومغناطیس می‌گردد. کلی‌ترین حالتهای اکسیداسیون منگنز ، 6+ ، 4+ ، 3+ ،2+ و 7+ است، اگرچه حالتهای اکسیداسیون از 7+ تا 1+ مشاهده میشود. ترکیبات منگنزی که درآنها منگنز دارای حالت اکسیداسیون 7+ می‌باشند، عاملهای اکسید کننده‌ای قوی هستند.
کاربردها
منگنز به خاطر خصوصیات ثابت کنندگی گوگرد ، اکسیژن‌زدائی و آلیاژ سازی برای تولید آهن و فولاد ضروری است. فولادسازی ، ازجمله بخش تولید آهن آن ، بیشترین مقدار منگنز داخلی را نیاز دارد که اخیرا" بین 90% تا 85% مقدار مورد نیاز است. از بین کاربردهای مختلف دیگر آن ، منگنز بخش اصلی فرمولهای فولادضد زنگ ارزان قیمت و آلیاژهای آلومینیم پرکاربرد را تشکیل می‌دهد.
از اکسید منگنز ، در انواع پیلهای خشک جدید استفاده میشود. انتظار می‌رود ماهیت و سطح کلی کاربرد منگنز در آمریکا در آینده ای نزدیک تقریبا" یکسان باقی بماند. هیچ گونه فن‌آوری عملی برای جایگزینی مواد دیگر به جای منگنز یا استفاده از مقادیر داخلی و سایر ذخائر جهت خودکفایی آمریکا نسبت به کانی منگنز سایر کشورها وجود ندارد. [3]
نقش بیولوژیکی
منگنز ، ماده غذایی است که وجود آن به مقدار کم برای تمامی گونه‌های حیات ، ضروری می‌باشد. رده‌های آنزیمهایی که عوامل مشترک منگنز دارند، بسیار گسترده است و مثلا" شامل oxidoreductases transferases ، hydrolases ، lyases ، isomerases ، ligases ، lectins ، integrins می‌باشند. شاید آرژیناز ، دیسموتاس سوپر اکسید ، حاوی منگنز و سم دیفتری ، معروفترین پلی‌پپتیدهای منگنز باشند.
ترکیبات
پرمنگنات پتاسیم که آنرا بلورهای کاندی هم می‌نامند، به‌علت خصوصیات اکسیداسیون آن ، یک معرف آزمایشگاهی متداول است و بعنوان یک داروی محلی کاربرد دارد؛ ( مثلا" برای درمان بیماریهای ماهی ). دی‌اکسید منگنز در پیلهای خشک کاربرد داشته ، نیز می‌توان از آن برای کلر زدایی شیشه‌هایی که با مقادیر کمی آهن ، سبز رنگ شده‌اند، استفاده نمود. با ترکیبات منگنز ، می‌توان شیشه‌ها را ارغوانی کرد و عامل رنگ ارغوانی واقعی می‌باشد. علاوه بر اینها ، از دی‌اکسید منگنز برای تولید اکسیژن ، کلر و رنگهای سیاه جامد استفاده می‌گردد.
ایزوتوپها
منگنز بطور طبیعی دارای یک ایزوتوپ پایدار Mn-55 می‌باشد. 18 ایزوتوپ پرتوزاد هم برای این عنصر شناسایی شده است که پایدارترین آنها منگنز53 با نیمه عمر 7/3 میلیون سال ، منگنز-54 با نیمه عمر 312,3 روز و منگنز-52 با نیمه عمر 5,591 روز هستند. مابقی ایزوتوپهای رادیواکتیو از نیمه عمری کمتر از 3 ساعت برخوردار بوده که نیمه عمر اکثر آنها کمتر از 1 دقیقه است. همچنین این عنصر دارای 3 meta states می‌باشد.
منگنز ، جزء عناصر گروه آهنی است که تصور میشود در ستارگان بزرگ ، اندکی قبل از انفجار ابراختر سنتز شده‌اند. منگنز-53 به شکل Cr-53 با نیمه عمر 3,7 میلیون سال فرسایش می‌یابد.
نگنز-53 به‌علت نیمه عمر نسبتا" کوتاهش یک رادیونوکلید غیر فعال است. محتویات ایزوتوپی منگنز ، معمولا" با محتویات ایزوتوپی کروم ترکیب میشود که در isotope geology بکار می‌رود. نسبتهای ایزوتوپی منگنز – کروم شواهدی را که از آلومینیم 26 و پالادیم 107 برای تاریخ آغازین منظومه شمسی وجود دارد، تقویت می‌کند.
ایزوتوپهای منگنز از نظر وزن اتمی بین amu 46 تا amu 65 قرار دارند. حالت فروپاشی اولیه ، قبل از فراوان‌ترین ایزوتوپ پایدار ( Mn-55 ) جذب الکترون و حالت اولیه پس از آن بتا می‌باشد. [4]
موارد استفاده در انسان :
بیماریهای زیر به وسیله مصرف منگنز بهبود می یابد.
دیابت. افراد مبتلا به دیابت در مقایسه با اشخاص سالم به طور قابل ملاحظه ای منگنز کمتری دارند. منگنز سطح قند خون را در افراد دیابتی کاهش می دهد.
روماتیسم مفصلی. افراد مبتلا به روماتیسم مفصلی (التهاب مفاصل) سطح پایینی از MnSaD دارند (این ماده از آسیب مفاصل در حین التهاب جلوگیری می کند) مکمل های منگنز فعالیت MnSaD را افزایش می دهند.
صرع. یک مطالعه مهم در اوایل سال ۱۹۶۰ نشان داده است موش هایی که دچار کمبود منگنز بوده اند بیشتر مستعد ابتلا به تشنج هستند و نوار مغزی آنها (EEG) حاوی فعالیتهای تشنجی است.
اسکیزوفرنی. افراد اسکیزوفرن به مکمل های منگنز به خوبی پاسخ می دهند.
پوکی استخوان. از دست رفتن تودهٔ استخوانی بعد از یائسگی به سرعت شروع می شود و می تواند منجر به پوکی استخوان (نازک و شکننده شدن) گردد. منگنز و دیگر عناصر کمیاب استحکام استخوان را در زنان بعد از یائسگی افزایش می دهند.
بیمایهای دیگر. منگنز همچنین در دمان تصلب شرایین (سخت شدن دیوارهٔ عروق)، کلسترول بالای خون، سرگیجه و کاهش شنوایی مؤثر و مفید است.
منابع غذایی
آجیل (مخصوصاً گردو، بادام)
سبوس گندم و همهٔ غلات
حبوبات تغییر نیافته
برگ سبزیجات
کبد
کلیه
بادام زمینی، لوبیا (از خانوادهٔ نیامداران)
میوه های خشک
غلات به عمل ا,ده (تغییر یافته)، گوشت و محصولات خشک دارای میزان خیلی کمی از منگنز هستند. غذاهای تغییر شکل نیافته نظیر نان غلات و حبوبات دارای میزان زیادی منگنز هستند.
اشکال دیگر
منگنز به اشکال مختلفی در دسترس است: نمک (سولفات و گلوکونات) کلوئید، آسپارات، پیکولینات، فومارات، سوکسینات و آمینواسید کلات). این ماده به صورت قرص یا کپسول معمولاً به همراه سایر ویتامین ها و موادمعدنی قابل دسترسی است.
نحوه مصرف
در مورد منگنز مقدار مجاز توصیه شده در رژیم غذایی (RDA) وجود ندارد. رژیم توصیه شده براساس جذب از طریق رژیم تیپیک است و مقداری است که از بروز نشانه های کمبود منگنز جلوگیری کند.
متوسط جذب منگنز ۲ تا ۹ میلی گرم در روز است. در بعضی موارد افراد به میزان بیشتری (۱۰ میلی گرم در روز) منگنز نیاز دارند.
میزان کافی و مطمئن مصرف روزانهٔ منگنز ۲ تا ۵ میلی گرم برای بزرگسالان. ۱ تا ۳ میلی گرم برای بچه ها و نوجوانان و ۰/۳ تا ۱ میلی گرم برای شیرخواران است.
جذب بیش از حد منگنز می تواند منجر به تولید اثرات سمی شود. شما نباید به طور مرتب، بیش از حد مطمئن و کافی (که در بالا توضیح داده شد) مصرف منگنز داشته باشید.
تداخل های احتمالی
کلسیم، مس، آهن، منیزیوم و روی بر سر جذب در رودهٔ کوچک با منگنز رقابت می کنند. جذب بیش از حد هر کدام از اینها می تواند باعث کاهش جذب بقیه شود. مصرف بیش از حد منگنز می تواند باعث کم خونی فقر آهن شود
هشدارها
مقدار بیش از حد منگنز ، سمی است و به‌علت میزان مسمومیت‌زایی این عنصر تماس با گرده ، بخار و ترکیبات منگنز حتی برای زمانهای کوتاه نباید از حداکثر mg/m 35 فراتر رود.
محلولهای پرمنگنات اسیدی کلیه مواد معدنی را که با آنها در تماس هستند، ازبین خواهند برد و قادر به سوزاندن آنها می‌باشند.
شناخت محیط رشد ، منگنز
منگنز به‌میزان بسیار کمی مورد نیاز گیاه است و در صورت زیاد شدن میزان آن در خاک ، بر روی گیاه اثر مسموم کننده خواهد داشت. وجود منگنز برای بسیاری از اعمال گیاهی مانند فتوسنتز ، تنفس و تهیه کلروفیل ضروریست. علایم کمبود آن در گیاهان مختلف متفاوت می‌باشد. سوختگی کنار برگها و یا لکه‌های سوختگی میانه برگها ، همچنین کاهش رشد و گل‌دهی گیاه از نشانه‌های کمبود منگنز است و چون مانند آهن ، درون گیاه غیر قابل انتقال است، ابتدا برگهای جوان علایم کمبود را نشان می‌دهند، در واکنش‌های قلیایی در خاک تثبیت شده و با پایین آوردن واکنش خاک ، بیشتر قابل استفاده می‌گردد. در خاکهای خیلی اسیدی ممکن است به‌علت افزایش بیش از حد جذب آن در گیاه مسمومیت ایجاد شود. برای رفع کمبود منگنز از سولفات منگنز استفاده میشود که در خاکهای ایران بازده آن بسیار ناچیز است.
منگنز به دلایل اقتصادی و داشتن خصوصیات فیزیکی- شیمیایی خاص به عنوان یکی از فلزات استراتژیک مورد استفاده در صنایع فولاد و ذوب آهن، تولید فروآلیاژ، باتری سازی و... مطرح شده است.
در حدود 90 درصد منگنز مصرفی در جهان در صنایع متالورژیکی نظیر تولید فولاد و آلیاژهای غیر آهنی مصرف می شود. صنایع باتری سازی با مصرف سالیانه 40 الی 50 هزار تن، معادل 7-5 درصد کل مصرف در مقام دوم قرار می‌گیرند.
[1] Luft, J. H. (1956). "Permanganate – a new fixative for electron microscopy". Journal of Biophysical and Biochemical Cytology 2: 799–802
[2] Ignasi Puigdomenech, Hydra/Medusa Chemical Equilibrium Database and Plotting Software (2004) KTH Royal Institute of Technology, freely downloadable software at
[3] Dismukes, G. Charles; Willigen, Rogier T. van (2006). "Manganese: The Oxygen-Evolving Complex & Models". Encyclopedia of Inorganic Chemistry. doi:10.1002/0470862106.ia128
[4] Elsner, Robert J. F.; Spangler, John G. (2005). "Neurotoxicity of inhaled manganese: Public health danger in the shower?". Medical Hypotheses 65 (3): 607–616. doi:10.1016/j.mehy.2005.01.043