آشنایی با فلز منگنز و کاربردهای آن

فلزات خالص، عناصر اساسی ماده هستند. در حدود 118 عنصر شناخته شده وجود دارد که یا در طبیعت یافت می‌شوند یا در آزمایشگاه ایجاد می‌شوند. بیشتر این عناصر، فلزی هستند، و تعداد کمی از آن‌ها غیرفلزی هستند. فلزات دارای خواص فیزیکی خاصی هستند که آن‌ها را از غیرفلزات و شبه فلزات متمایز می‌کند. از میان تمامی این فلزات، بعضی از آن‌ها کمیاب هستند و در دسته‌بندی گرانترین فلز جهان قرار می‌گیرند. بعضی دیگر کمیاب نیستند اما به دلیل خواص ویژه‌ای که با خود به همراه دارند، بسیار پرکاربرد هستند. منگنز در دسته دوم قرار می‌گیرد. فلزی که در ترکیبش با آهن و کربن، فولادی را عرضه می‌کند با مقاومت بسیار خارق‌العاده. در ادامه با صباپروفیل همراه باشید تا به بررسی این عنصر ویژه پرداخته و خواص و کاربردهای آن را برای شما شرح دهیم.

منگنز چیست؟

منگنز (به انگلیسی Manganese) با عدد اتمی 25 و نماد شیمیایی Mn در دوره چهارم و گروه فلزات واسطه جدول تناوبی قرار گرفته است. منگنز که دارای رنگ نقره ای متالیک است، معمولاً در مجاورت آهن است زیرا به صورت آزاد در طبیعت یافت نمی‌شود. همچنین کانی اصلی آن پیرولوزیت نام دارد هرچند که می‌توان این عنصر را از کانی‌های مختلف و متعددی استخراج نمود. عنصر منگنز که دوازدهمین عنصر رایج در پوسته زمین است، علاوه بر کاربردهای صنعتی، ‌شیمیایی و … در لیست عناصر ضروری بدن نیز قرار می‌گیرد. به طوری که کمبود منگنز در بدن می‌تواند اختلالات متفاوت و قابل توجهی را برای شما به همراه داشته باشد.

بسیاری منگنز را از نظر زیبایی شناختی با نقره مقایسه می‌کنند و همین یکی از دلایلی است که استفاده از آن را چند برابر کرده است.

منگنز یک عنصر شیمیایی است که در سطح زمین یافت می‌شود و کاربردهای مختلفی دارد. اغلب در ذخایر سنگ معدن یافت می‌شود و در طول تولید به عنوان آلیاژی به فولاد اضافه می‌شود. منگنز به عنوان یک آلیاژ به تقویت فولاد کمک می‌کند و آن را در برابر خوردگی و سایش مقاوم کرده و همچنین به کاهش شکنندگی و بهبود سختی فلز کمک می‌کند.

سنگ معدن منگنز عمدتاً توسط استرالیا، آفریقای جنوبی، چین، گابن و برزیل تولید می‌شود. مناطق وسیعی از کف اقیانوس با گره های منگنز پوشیده شده است که به آنها گره های چند فلزی نیز می گویند، بتن ریزی منگنز با مقداری آهن، سیلیکون و آلومینیوم. مقدار منگنز در گره ها بسیار بیشتر از ذخایر زمین تخمین زده می شود.

بیشتر منگنز تولید شده به شکل فرومنگنز و آلیاژهای سیلیکومنگنز برای تولید آهن و فولاد استفاده می‌شود. سنگ معدن منگنز حاوی اکسیدهای آهن ابتدا در کوره‌های بلند یا کوره‌های الکتریکی با کربن احیا می‌شود تا فرومنگنز تولید شود که به نوبه خود در فولادسازی استفاده می‌شود. افزودن منگنز که تمایل بیشتری به گوگرد نسبت به آهن دارد، سولفید آهن کم ذوب در فولاد را به سولفید منگنز با ذوب بالا تبدیل می‌کند. فولادی که بدون منگنز تولید می‌شود، هنگام نورد گرم یا آهنگری، تجزیه می‌شود. فولادها معمولاً کمتر از 1 درصد منگنز دارند. فولاد منگنز یا همان فولاد هادفیلد برای خدمات بسیار ناهموار استفاده می‌شود. حاوی 11 تا 14 درصد منگنز، سطحی سخت، مقاوم در برابر سایش و خود تجدید شونده را بر روی یک هسته نشکن سخت ایجاد می‌کند. منگنز خالص تولید شده به صورت الکترولیتی بیشتر در تهیه آلیاژهای غیرآهنی مس، آلومینیوم، منیزیم و نیکل و در تولید مواد شیمیایی با خلوص بالا استفاده می‌شود. عملاً تمام آلیاژهای تجاری آلومینیوم و منیزیم حاوی منگنز برای بهبود مقاومت در برابر خوردگی و خواص مکانیکی هستند. قوطی‌های آلومینیومی حاوی حدود 1.5 درصد منگنز هستند.

جدول مشخصات عنصر منگنز:

ساختار اتمی منگنز شامل چهار زیر پوسته الکترونی است که عبارتند از:

1. لایه فرعی اول شامل 2 الکترون است.
2. لایه فرعی دوم شامل 8 الکترون است.
3. لایه فرعی سوم شامل 13 الکترون است.
4. لایه فرعی چهارم شامل 2 الکترون است.

منگنز از کجا آمد؟

ممکن است تصور شود که منگنز در ابتدا به شکل فلز بود، اما اینطور نیست. منگنز در طبیعت به عنوان فلز رایگانی که دوست داریم به آن فکر کنیم، یافت نمی‌شود. در عوض منگنز به عنوان مواد معدنی با افزودن اکسیدها، سیلیکات‌ها و کربنات‌ها به مخلوط اضافه می‌شود. بیشتر منگنز از سنگ معدن‌های موجود در نقاط مختلف جهان به دست می‌آید. همچنین گفته می‌شود که منگنز در کف اقیانوس به شکل گره‌هایی قرار دارد که توده‌های بزرگی از سنگ معدنی فلزی هستند.

سنگ منگنز چیست؟

سنگ منگنز یک کانی معدنی است که منگنز را در ترکیب با عناصر دیگر شامل می‌شود. این سنگ عمدتاً از سنگ‌های رسوبی و کانی‌های منگنزی تشکیل شده است. سنگ منگنز معمولاً در مناطق معدنی که دارای رسوبات دریایی و زمین‌های کربناته هستند یافت می‌شود. این سنگ به دلیل کاربردهای مختلف خود در صنایع مختلف، به عنوان یک منبع مهم از منگنز، توجه زیادی از سوی صنعت و معدن‌کاران به خود جلب می‌کند.

پس سنگ منگنز یک سنگ معدنی است که حاوی درصد بالایی از عنصر منگنز است. مشخصات سنگ منگنز عبارتند از:

– حاوی بیش از 35 درصد منگنز

– رنگ خاکستری تیره تا سیاه

– بافت نرم و پودری شکل

– دارای چگالی پایین‌تر از سنگ آهن

– یک سنگ معدنی اکسیدی است.

– در معادن زمین‌شناسی به فرم لایه‌ها یا توده‌های سنگی یافت می‌شود.

– کانسارهای آن در کشورهایی مانند افریقای جنوبی، اوکراین، استرالیا و چین قرار دارد.

– پس از استخراج، عملیات غربال و جداسازی روی آن انجام می‌شود.

– منگنز استخراج شده از آن برای تولید آلیاژهای فولاد استفاده می‌شود.

تاریخچه منگنز

نام عنصر 25 از کلمه لاتین Magnes به معنای آهنربا گرفته شده است. در سال 1774 توسط Scheele کشف شد و در اواخر همان سال توسط Johan Gahn جدا شد. منگنز یکی از معدود عناصری است که انسان به صورت روزانه از آن استفاده می‌کند. در سال 1774 یک دانشمند سوئدی به نام یوهان گوتلیب گان توانست فلز منگنز را با کاهش ترکیب دی اکسید منگنز جدا کند. به اندازه کافی، منگنز توسط انسان در طول قرن‌ها استفاده شده است.

امپراتوری روم در سلاح‌های خود از منگنز استفاده می‌کرد و آن‌ها توانستند دشمنان خود را از این طریق شکست دهند. خاصیت سختی منگنز به آن‌ها کمک کرد تا تجهیزات قوی برای جنگ ایجاد کنند. علاوه بر این، قرن‌ها قبل از شروع تمدن بشری، انسان از ترکیبات منگنز استفاده می‌کرده است. تاریخچه استفاده از منگنز به عصر حجر برمی‌گردد، جایی که آن‌ها از منگنز به عنوان رنگدانه برای تزئین غارها و مکان‌های مقدس خود استفاده می‌کردند. منگنز عنصری است که به انسان‌ها در بهبود زندگی شخصی خود به طرق مختلف کمک کرده است.

تایم لاین زیر می‌تواند به شکلی خلاصه، فرآیند کشف و استفاده از منگنز را شرح دهد:

1. سال 1771 – منگنز توسط شیمیدان سوئدی Scheele به عنوان یک عنصر شناخته شد.
2. سال 1774-اولین جداسازی توسط J.G. Gahn انجام شد.
3. سال 1799 – برای اولین بار در دنیا، انگلستان اجازه استفاده از منگنز در فولادسازی را داد.
4. سال 1816-یک محقق آلمانی مشاهده کرد که منگنز سختی آهن را افزایش می‌دهد، بدون اینکه چکش خواری یا چقرمگی آن را کاهش دهد.
5. سال 1826- پریگر (Prieger) در آلمان فرومنگنز حاوی 80 درصد منگنز را در یک بوته تولید کرد.
6. سال 1840- جوزیا مارشال هیث (J.M. Heath) متالورژیست انگلیسی، منگنز فلزی (metallic manganese) تولید کرد.
7. سال 1841- تولید در مقیاس صنعتی آهن خام حاوی درصد بالایی از منگنز آغاز شد.
8. سال 1875-تولید تجاری فرومنگنز با محتوای 65 درصد منگنز آغاز شد.
9. سال 1860-آغاز صنعت فولاد مدرن.
10. سال 1868-اختراع سلول خشک با استفاده از دی اکسید منگنز

کاربرد منگنز

نقش بیولوژیکی منگنز

منگنز یک عنصر ضروری در بدن تمام موجودات زنده، شناخته شده است. بسیاری از انواع آنزیم‌ها حاوی منگنز هستند. به عنوان مثال، آنزیمی که مسئول تبدیل مولکول‌های آب به اکسیژن در طول فتوسنتز است، حاوی چهار اتم منگنز است. برخی از خاک‌ها دارای مقادیر کمی منگنز هستند و به همین دلیل به برخی از کودها اضافه می‌شود و به عنوان مکمل غذایی به حیوانات داده می‌شود.

منگنز و بدن انسان

منگنز یک ماده معدنی ضروری برای بدن است اما اگر در مصرف آن زیاده‌روی شود می‌تواند بسیار سمی باشد. در سبزیجات برگ‌دار مانند کلم و اسفناج و همچنین در آناناس، خشکبار و چای، منگنز وجود دارد.

این عنصر به گونه گسترده‌ای در بافت‌های بدن انسان، گیاهان و جانوران وجود دارد. منگنز در پایه‌ریزی بافت همبند چربی و کلسترول، استخوان، عوامل لختگی خون و پروتئین نقش دارد. این ماده همچنین برای عملکرد طبیعی مغز لازم ‌است.

منگنز در روده کوچک جذب شده و بیشتر این ماده معدنی در استخوان ذخیره می‌شود و مقادیر کمتری در کبد، مغز، کلیه‌ها و لوزالمعده ذخیره می‌شود. اندازه‌گیری سطح منگنز در بدن دشوار است، زیرا مصرف رژیم غذایی همیشه با سطح خون ارتباط ندارد. بدن انسان حاوی حدود 10 تا 20 میلی‌گرم منگنز است. ما روزانه حدود 4 میلی‌گرم از غذاهایی مانند آجیل، سبوس، غلات سبوس دار، چای و جعفری مصرف می‌کنیم. بدون آن، استخوان‌ها اسفنجی‌تر می‌شوند و راحت‌تر می‌شکنند. منگنز همچنین برای استفاده از ویتامین B1 ضروری است.

استفاده از منگنز در سلامت فردی انسان و در پزشکی امروزه، مانند همیشه اهمیت دارد. اگرچه ممکن است بسیاری از مردم نسبت به اهمیت مصرف مواد معدنی مهم همراه با ویتامین‌ها آشنا باشند، اما بسیاری با اهمیت مصرف منگنز در رژیم غذایی انسان آشنا نیستند. وجود منگنز در بدن، برای فرآیندهای در سطح سلولی، حیاتی است. بدون آن، آنزیم‌هایی که برای زندگی حیاتی هستند مختل می‌شوند و می‌توانند برای سلامتی انسان عوارض ایجاد کنند. به عنوان مثال، منگنز به تشکیل بافت همبند در بدن ما کمک می‌کند، بدون آن یا با حداقل مقادیر، به عنوان مثال رباط‌ها و ماهیچه‌ها انعطاف‌پذیری کمتری دارند و آسیب‌ها می‌توانند به راحتی رخ دهند. با این حال، اگر منگنز بیش از حد مصرف شود، مشکلات سلامتی مانند ضعف، خواب آلودگی و حتی فلجی ممکن است رخ دهد. خوشبختانه، مصرف بیش از حد منگنز بسیار نادر است و معمولاً برای کسانی که در معادن یا کارخانه‌هایی کار می‌کنند که ممکن است گرد و غبار منگنز را استنشاق کنند، اتفاق می‌افتد.

واکنش منگنز در دنیای اطراف ما

منگنز و هوا

منگنز با قرار گرفتن در جدول تناوبی کمی کمتر از همسایگان خود، الکترونگاتیو (electronegative) است که باعث می‌شود واکنش آن نسبت به هوا کمی کمتر شود. فلز منگنز این قابلیت را دارد که در مجاورت اکسیژن بسوزد و Mn3O4 را تشکیل دهد.

منگنز و نیتروژن

منگنز می‌تواند در حضور نیتروژن که در هوا نیز یافت می‌شود واکنش نشان دهد و Mn3N2 تشکیل دهد.

منگنز و آب

وقتی همه چیز در شرایط عادی در نظر گرفته شود، منگنز با آب واکنش نشان نمی‌دهد.

منگنز و اسیدها

منگنز به راحتی در محلول‌های اسیدی حل می‌شود.

منگنز و هالوژن‌ها

منگنز با هالوژن‌های گروه 17 واکنش می‌دهد و هالیدهای منگنز (II) را تشکیل می‌دهد. به عنوان مثال، اگر منگنز با کلر واکنش نشان دهد، کلرید منگنز (II) تشکیل می‌شود.

ایزوتوپ های منگنز

درست مانند بسیاری از عناصر دیگر در جدول تناوبی، به ویژه فلزات، منگنز نیز قادر به تشکیل ایزوتوپ است. ایزوتوپ‌های بیشتری نسبت به موارد ذکر شده در زیر وجود دارد. با این حال، آنهایی که در جدول نشان داده نشده‌اند، ایزوتوپ‌هایی هستند که نیمه عمر آن‌ها به سرعت فرا می‌رسد.

فواید منگنز در تولید فولاد

فولاد یکی از مهم‌ترین مواد مورد استفاده در صنایع، ساخت و ساز و سایر صنایع است. اما آیا می‌دانستید که تولید فولاد می‌تواند از افزودن منگنز سود ببرد؟ تاثیر منگنز در فولاد بسیار چشمگیر است و وجود این عنصر برای ایجاد یک محصول بادوام و با کیفیت ضروری است. منگنز به تنهایی آنقدر شکننده است که به عنوان یک فلز خالص کاربرد زیادی ندارد و عمدتاً در آلیاژهایی مانند فولاد استفاده می‌شود.

چرا منگنز برای تولید فولاد مهم است؟

محتوای منگنز در فولاد مهم است زیرا استحکام آن را افزایش می‌دهد و در عین حال شکل‌دهی و جوشکاری آن را آسان‌تر می‌کند. با افزودن منگنز، تولیدکنندگان می‌توانند محصولاتی با کیفیت بالاتر ایجاد کنند که بادوام، مقرون به صرفه‌تر و قابل اعتمادتر از محصولات رقبای خود هستند.

علاوه بر این مزایا، منگنز مزایای زیبایی شناختی مختلفی نیز به فولاد اضافه می‌کند، مانند بهبود ثبات رنگ (جلوگیری از زنگ زدگی)، ماشین‌کاری بهتر (امکان برش‌های دقیق) و بهبود سطح (که از نظر ظاهری، زیباتر به نظر می‌رسد). همه این ویژگی‌ها فولاد با سطوح بالای منگنز را برای استفاده در پروژه‌های بزرگ مانند پل‌ها یا آسمان‌خراش‌ها که دوام آن مهم‌تر است، ایده‌آل می‌کند.

فولاد حاوی حدود 1% منگنز برای افزایش استحکام و همچنین بهبود کارایی و مقاومت در برابر سایش است. فولاد منگنز حاوی حدود 13 درصد منگنز است. این بسیار قوی است و برای خطوط راه آهن، گاو صندوق، لوله تفنگ و میله‌های زندان استفاده می‌شود.

وجود منگنز در صنایعی مانند صنعت فولاد برای موفقیت این صنعت به طور خاص بسیار مهم است. اگر به تاریخچه منگنز ارائه شده در ابتدای مطلب نگاهی بیندازید، متوجه می‌شوید که استفاده از منگنز در فولاد چیزی جدید نیست بلکه مربوط به اواخر دهه 1700 است. با این وجود هنوز هم روشی است که امروزه برای تأثیرات آن بر کیفیت و خواص فولاد استفاده می‌شود. همان‌طور که گفته شد منگنز برای تشکیل آلیاژ در فولاد استفاده می‌شود که به نوبه خود خواص بهتری مانند چقرمگی، سفتی، مقاومت در برابر سایش، سختی و مهمتر از همه، استحکام را به همراه دارد. منگنز همچنین به بهبود کیفیت نورد و آهنگری فولاد کمک می‌کند. منگنز همچنین مسئول رنگ آمیزی شیشه به رنگ بنفش است و همچنین می‌تواند در صنایعی استفاده شود که ناخالصی‌های شیشه به دلیل ناخالصی‌های آهن ایجاد می‌شوند زیرا منگنز می‌تواند شیشه را به رنگ طبیعی خود بازگرداند.

نحوه تولید منگنز

برای تولید منگنز روش‌های مختلف و متنوعی وجود دارد. هر یک از این روش‌ها دارای ویژگی‌های مخصوص به خود می‌باشد. برای نمونه منگنز تولید شده در یک روش، از خلوص و کیفیت بیشتری برخوردار است و در عین حال قیمت آن نیز بالا می‌باشد. در حالی که در یک روش دیگر، منگنز را با کیفیت پایین‌تر و در عین حال با یک قیمت بسیار مقرون به صرفه‌تر تولید می‌نمایند.

آیا منگنز همان منیزیم است؟

خیر، منگنز و منیزیم دو عنصر متفاوت هستند:

– منگنز با نماد Mn یک فلز است.

– منیزیم با نماد Mg یک فلز قلیایی خاکی است.

تفاوت‌های اصلی این دو عنصر:

– منگنز عدد اتمی 25 و منیزیم 12 دارد.

– منگنز فلزی به رنگ خاکستری است در حالی که منیزیم نقره‌ای رنگ است.

– منگنز یک فلز واسطه در جدول تناوبی است ولی منیزیم یک فلز قلیایی خاکی است.

– منگنز بیشتر در تولید آلیاژهای فولاد استفاده می‌شود در حالی که منیزیم کاربردهای متنوع‌تری دارد.

– خواص شیمیایی و فیزیکی این دو متفاوت است.

– منبع اصلی منگنز، سنگ منگنز است در حالی که منیزیم از آب دریا استحصال می‌شود.

بنابراین علی‌رغم شباهت نام، این دو عنصر کاملاً متفاوت و مجزا از یکدیگر هستند.

قیمت منگنز خالص

چند پارامتر مهم در نوسانات قیمت منگنز در بازارهای جهانی وجود دارد که مهمترین آن‌ها عبارتند از:

1. عرضه و تقاضا: کاهش عرضه یا افزایش تقاضا موجب افزایش قیمت می‌شود.
2. میزان ذخایر و تولید: کاهش ذخایر یا تولید کانسارها باعث افزایش قیمت می‌شود.
3. قیمت سایر فلزات: قیمت فلزات پایه و افزایش قیمت فلزاتی مثل آهن تاثیر مثبتی روی قیمت منگنز دارد.
4. وضعیت اقتصاد جهانی: رشد اقتصادی باعث افزایش تقاضا و تغییر قیمت منگنز می‌شود.
5. ثبات سیاسی کشورهای تولیدکننده: بی‌ثباتی سیاسی منجر به کاهش عرضه و افزایش قیمت می‌شود.
6. نرخ ارز: تضعیف ارزش پول کشورهای تولیدکننده باعث افزایش قیمت منگنز می‌شود.
7. سیاست‌های دولتی: محدودیت صادرات یا واردات منگنز توسط دولت‌ها تاثیرگذار است.
8. هزینه حمل و نقل: افزایش هزینه‌های حمل و نقل موجب گرانی منگنز می‌شود.

قیمت منگنز خالص بسته به درجه خلوص، شکل ظاهری آن، مقدار خرید و شرایط بازار، متفاوت است. به طور کلی:

– منگنز با خلوص 99.7% (جهت مصارف صنعتی)، هر کیلوگرم حدود 15 تا 25 هزار تومان قیمت دارد.

– منگنز با خلوص 99.9% (جهت مصارف آزمایشگاهی)، هر کیلوگرم 30 تا 40 هزار تومان قیمت دارد.

– منگنز با خلوص 99.99% (منگنز 4N)، هر کیلوگرم حدود 50 تا 70 هزار تومان قیمت دارد.

– قیمت منگنز به صورت پودر کمی ارزان‌تر است.

– قیمت منگنز در بازار جهانی بر حسب دلار برای هر تن بین 2000 تا 2500 دلار متغیر است.

– قیمت منگنز در ماه‌ها و سال‌های اخیر روند صعودی داشته است.

جمع‌بندی

منگنز به شکل خالص، فلزی سخت، شکننده و سفید خاکستری است. بیشتر به عنوان یک عامل آلیاژی در فولاد شناخته می‌شود. توانایی گرم کاری فولاد را افزایش داده و مقاومت در برابر ضربه را افزایش می‌دهد. در گیاهان، جانوران و بدن انسان به میزان کمی منگنز وجود دارد و به میزان زیادی برای سلامتی انسان مفید است.

پرسش و پاسخ

فلزات, مقالات در گروه صبا | نویسنده : امید مرادی | بروزرسانی : 22 آبان 1402