แมงกานีสเป็นธาตุเคมีมีสัญลักษณ์ Mnและเลขอะตอม 25 เป็นโลหะแข็งเปราะสีเงิน มักพบในแร่ธาตุร่วมกับเหล็กแมงกานีสถูกแยกออกมาครั้งแรกในช่วงปี ค.ศ. 1770 เป็นโลหะทรานสิชั่นที่ นำไปใช้ ในอุตสาหกรรมได้หลากหลายโดยเฉพาะในสเตนเลสช่วยเพิ่มความแข็งแรง ความสามารถในการใช้งาน และความต้านทานการสึกหรอ แมงกานีสออกไซด์ใช้เป็นสารออกซิไดซ์ เป็นสารเติมแต่งยาง และในการผลิตแก้ว ปุ๋ย และเซรามิก แมงกานีสซัลเฟตสามารถใช้เป็นสารป้องกันเชื้อราได้
แมงกานีสเป็นองค์ประกอบสำคัญในอาหารของมนุษย์ มีความสำคัญในการเผาผลาญสารอาหารหลัก การสร้างกระดูก และระบบป้องกันอนุมูลอิสระ เป็นองค์ประกอบที่สำคัญในโปรตีนและเอนไซม์หลายสิบชนิด [7]พบส่วนใหญ่ในกระดูก แต่ยังพบในตับ ไต และสมองด้วย[8]ในสมองของมนุษย์ แมงกานีสจะจับกับเมทัลโลโปรตีน ของแมงกานีส โดยเฉพาะอย่างยิ่งกลูตามีนซินเทสในแอสโตรไซต์
เป็นที่คุ้นเคยในห้องปฏิบัติการในรูปแบบของโพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนต เกลือสีม่วงเข้ม พบที่ตำแหน่งที่ใช้งานในเอนไซม์ บาง ชนิด[9]สิ่งที่น่าสนใจโดยเฉพาะคือการใช้คลัสเตอร์ Mn-O ซึ่งเป็นสารเชิงซ้อนที่พัฒนาออกซิเจนในการผลิตออกซิเจนโดยพืช
แมงกานีสเป็น โลหะสีเทาเงินที่มีลักษณะคล้ายเหล็ก แมงกานีสแข็งและเปราะมาก หลอมรวมยาก แต่เกิดออกซิเดชันได้ง่าย[10]แมงกานีสและไอออนทั่วไปเป็นสารพาราแมกเนติก [ 11]แมงกานีสจะหมองช้าในอากาศและเกิดออกซิเดชัน ("สนิม") เหมือนเหล็กในน้ำที่มีออกซิเจนละลายอยู่[12]
แมงกานีสที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติประกอบด้วยไอโซโทป เสถียรหนึ่งชนิด คือ55 Mn ไอโซโทปรังสี หลายชนิด ได้รับการแยกและอธิบาย โดยมี มวล อะตอมตั้งแต่ 46 u ( 46 Mn) ถึง 72 u ( 72 Mn) ไอโซโทปที่เสถียรที่สุด ได้แก่53 Mn ที่มีครึ่งชีวิต 3.7 ล้านปี54 Mn ที่มีครึ่งชีวิต 312.2 วัน และ52 Mn ที่มีครึ่งชีวิต 5.591 วัน ไอโซโทป กัมมันตภาพรังสี ที่เหลือทั้งหมด มีครึ่งชีวิตน้อยกว่าสามชั่วโมง และส่วนใหญ่น้อยกว่าหนึ่งนาทีโหมดการสลาย ตัวหลัก ในไอโซโทปที่เบากว่าไอโซโทปเสถียรที่มีมากที่สุด คือ55 Mn คือการจับอิเล็กตรอนและโหมดการสลายตัวหลักในไอโซโทปที่หนักกว่า คือการสลายตัวบีตา[13]แมงกานีสยังมีเมตาสเตตสามสถานะด้วย[13]
แมงกานีสเป็นส่วนหนึ่งของกลุ่มธาตุเหล็กซึ่งเชื่อกันว่าสังเคราะห์ขึ้นในดาว ขนาดใหญ่ ไม่นานก่อนการระเบิดของซูเปอร์โนวา[14] 53 Mn สลายตัวเป็น53 Cr โดยมีครึ่งชีวิต 3.7 ล้านปี เนื่องจาก53 Mn มีครึ่งชีวิตค่อนข้างสั้น จึงค่อนข้างหายาก เกิดจากรังสีคอสมิกที่กระทบเหล็ก[15]โดยทั่วไปแล้ว ปริมาณไอโซโทปของแมงกานีสจะรวมกับ ปริมาณไอโซโทป ของโครเมียมและพบการใช้งานในธรณีวิทยาไอโซโทปและการหาอายุด้วยวิธีเรดิโอเมตริกอัตราส่วนไอโซโทปของ Mn–Cr ยืนยันหลักฐานจาก26 Alและ107 Pdสำหรับประวัติศาสตร์ยุคแรกของระบบสุริยะการเปลี่ยนแปลงใน อัตราส่วน 53 Cr/ 52 Cr และ Mn/Cr จากอุกกาบาต หลายดวง ชี้ให้เห็นถึงอัตราส่วนเริ่มต้น53 Mn/ 55 Mn ซึ่งบ่งชี้ว่าองค์ประกอบไอโซโทปของ Mn–Cr จะต้องเกิดจาก การสลาย ตัวของ53 Mn ในแหล่งกำเนิดในวัตถุท้องฟ้าที่แยกความแตกต่าง ดังนั้น53 Mn จึงเป็นหลักฐานเพิ่มเติมสำหรับ กระบวนการ สังเคราะห์นิวเคลียสทันทีก่อนการรวมตัวของระบบสุริยะ[16]
แมงกานีส แข็งมีรูปแบบโครงสร้าง สี่แบบที่รู้จัก โดยมีป้ายกำกับว่า α, β, γ และ δ และเกิดขึ้นที่อุณหภูมิที่สูงขึ้นตามลำดับ แมงกานีสทั้งหมดเป็นโลหะ เสถียรที่ความดันมาตรฐาน และมีโครงตาข่ายผลึกลูกบาศก์ แต่โครงสร้างอะตอมของแมงกานีสแตกต่างกันมาก[17] [18] [19]
แมงกานีสอัลฟา (α-Mn) เป็นเฟสสมดุลที่อุณหภูมิห้อง มี โครง ตาข่ายลูกบาศก์ที่ศูนย์กลางอยู่ที่ตัวโลหะและแตกต่างจากโลหะธาตุทั่วไปตรงที่มีเซลล์หน่วยที่ซับซ้อนมาก โดยมี 58 อะตอมต่อเซลล์ (29 อะตอมต่อเซลล์หน่วยดั้งเดิม) ในไซต์ที่แตกต่างกัน 4 ประเภท[20] [17]เป็นพาราแมก เนติก ที่อุณหภูมิห้องและ เป็น แอนตี้เฟอร์โรแมกเนติกที่อุณหภูมิต่ำกว่า 95 K (−178 °C) [21]
เบต้าแมงกานีส (β-Mn) ก่อตัวเมื่อถูกความร้อนสูงกว่าอุณหภูมิเปลี่ยนผ่านที่ 973 K (700 °C; 1,290 °F) มีโครงสร้างลูกบาศก์ดั้งเดิมที่มี 20 อะตอมต่อเซลล์หน่วยที่ตำแหน่งสองประเภท ซึ่งมีความซับซ้อนเท่ากับโลหะธาตุอื่นๆ[22]สามารถได้รับได้ง่ายในรูปของเฟสที่ไม่เสถียรที่อุณหภูมิห้องโดยการดับอย่างรวดเร็ว มันไม่แสดงการเรียงลำดับแม่เหล็กโดยยังคงเป็นพาราแมกเนติกจนถึงอุณหภูมิต่ำสุดที่วัดได้ (1.1 K) [22] [23] [24]
แกมมาแมงกานีส (γ-Mn) ก่อตัวเมื่อถูกให้ความร้อนสูงกว่า 1,370 K (1,100 °C; 2,010 °F) มีโครงสร้างลูกบาศก์ที่มีศูนย์กลางอยู่ที่หน้า (สี่อะตอมต่อหน่วยเซลล์) เมื่อดับลงที่อุณหภูมิห้อง มันจะเปลี่ยนเป็น β-Mn แต่สามารถทำให้คงตัวได้ที่อุณหภูมิห้องโดยผสมกับธาตุอื่นๆ อย่างน้อย 5 เปอร์เซ็นต์ (เช่น C, Fe, Ni, Cu, Pd หรือ Au) และโลหะผสมที่คงตัวด้วยสารละลายเหล่านี้จะบิดเบี้ยวเป็นโครงสร้างเตตระโกนัล ที่มีศูนย์กลางอยู่ที่หน้า [25] [24]
แมงกานีสเดลตา (δ-Mn) ก่อตัวเมื่อถูกความร้อนสูงกว่า 1,406 K (1,130 °C; 2,070 °F) และมีเสถียรภาพจนถึงจุดหลอมเหลวของแมงกานีสที่ 1,519 K (1,250 °C; 2,270 °F) มี โครงสร้าง ลูกบาศก์ที่มีศูนย์กลางอยู่ที่ตัว (อะตอมสองอะตอมต่อเซลล์หน่วยลูกบาศก์) [18] [24]
สถานะออกซิเดชันทั่วไปของแมงกานีสคือ +2, +3, +4, +6 และ +7 แม้ว่าจะสังเกตพบสถานะออกซิเดชันทั้งหมดตั้งแต่ −3 ถึง +7 ยกเว้น –2 แมงกานีสในสถานะออกซิเดชัน +7 แสดงโดยเกลือของแอนไอออนเปอร์แมงกาเนตสีม่วงเข้มข้นMnO−4โพแทสเซียมเปอร์ แมงกาเนต เป็นสารเคมี ที่ใช้ในห้องปฏิบัติการทั่วไป เนื่องจากมีคุณสมบัติในการออกซิไดซ์ ใช้เป็นยาทาภายนอก (เช่น ในการรักษาโรคปลา) สารละลายโพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนตเป็นสีย้อมและสารตรึงสีชนิดแรกๆ ที่ใช้ในการเตรียมเซลล์และเนื้อเยื่อทางชีวภาพสำหรับกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน[27]
นอกเหนือจากเกลือเปอร์แมงกาเนตต่างๆ แล้ว Mn(VII) ยังแสดงโดยอนุพันธ์ Mn 2 O 7 ที่ไม่เสถียรและระเหยได้ออกซีฮาไลด์ (MnO 3 F และ MnO 3 Cl) เป็นตัวออกซิไดซ์ ที่มี ประสิทธิภาพ[10] ตัวอย่างที่โดดเด่นที่สุดของ Mn ในสถานะออกซิเดชัน +6 คือแมงกาเนต แอนไอออนสีเขียว [MnO 4 ] 2−เกลือแมงกาเนตเป็นสารตัวกลางในการสกัดแมงกานีสจากแร่ สารประกอบที่มีสถานะออกซิเดชัน +5 นั้นค่อนข้างจับต้องไม่ได้ และมักพบว่าเกี่ยวข้องกับลิแกนด์ออกไซด์ (O 2− ) หรือ ไน ไตรด์ (N 3− ) [28] ตัวอย่างหนึ่งคือไฮโปแมงกาเนตแอ นไอออนสีน้ำเงิน [MnO 4 ] 3− [29]
Mn(IV) ค่อนข้างเป็นปริศนาเนื่องจากพบได้ทั่วไปในธรรมชาติแต่พบได้น้อยกว่ามากในเคมีสังเคราะห์ แร่ Mn ที่พบมากที่สุดคือไพโรลูไซต์MnO2เป็นเม็ดสีน้ำตาลเข้มของภาพวาดในถ้ำ หลายแห่ง [30]แต่ยังเป็นส่วนผสมทั่วไปในแบตเตอรี่แบบแห้ง อีกด้วย [31]คอมเพล็กซ์ของ Mn(IV) เป็นที่รู้จักกันดี แต่ต้องใช้ลิแกนด์ ที่ซับซ้อน คอมเพล็กซ์ Mn(IV)-OH เป็นสารตัวกลางในเอนไซม์ บางชนิด รวมถึงศูนย์วิวัฒนาการออกซิเจน (OEC) ในพืช[32]
อนุพันธ์ Mn 3+ ที่เรียบง่าย พบได้น้อย แต่สามารถทำให้เสถียรได้โดยลิแกนด์เบสที่เหมาะสม แมงกานีส(III) อะซิเตทเป็นสารออกซิไดเซอร์ที่มีประโยชน์ในการสังเคราะห์สารอินทรีย์สารประกอบของแข็งของแมงกานีส(III) มีลักษณะเฉพาะคือมีสีม่วงแดงเข้มและชอบการประสานงานแปดด้านที่ผิดเพี้ยนอันเป็นผลมาจากปรากฏการณ์จาห์น-เทลเลอร์[33]
สถานะออกซิเดชันที่พบได้ทั่วไปสำหรับแมงกานีสในสารละลายน้ำคือ +2 ซึ่งมีสีชมพูอ่อน สารประกอบแมงกานีส (II) หลายชนิดเป็นที่รู้จัก เช่น คอมเพล็กซ์อควอที่ได้จากแมงกานีส (II) ซัลเฟต (MnSO 4 ) และแมงกานีส (II) คลอไรด์ (MnCl 2 ) สถานะออกซิเดชันนี้ยังพบเห็นได้ในแร่โรโดโครไซต์ ( แมงกานีส (II) คาร์บอเนต ) แมงกานีส (II) มักมีอยู่โดยมีสปินสูง S = 5/2 สถานะพื้นฐานเนื่องจากพลังงานจับคู่สูงสำหรับแมงกานีส (II) ไม่มีการเปลี่ยนผ่าน d–d ที่อนุญาตในแมงกานีส (II) ซึ่งเป็นเหตุผลที่ทำให้มีสีจาง[34]
สถานะออกซิเดชันของแมงกานีส[35] | |
---|---|
-3 | แมงกานีส(CO)(NO) 3 |
-1 | เอชเอ็มเอ็น(CO) 5 |
0 | เอ็มเอ็น 2(ซีโอ) 10 |
+1 | มินนิโซตา 5ชม 4ช. 3(ซีโอ) 3 |
+2 | แมกนีเซียมคลอไรด์ 2, แมงกานีสออกไซด์ 3, เอ็มเอ็นโอ |
+3 | มนฟ. 3, แมงกานีส(โอเอซี) 3, เอ็มเอ็น 2โอ้ 3 |
+4 | เอ็มเอ็นโอ 2 |
+5 | เค 3เอ็มเอ็นโอ 4 |
+6 | เค 2เอ็มเอ็นโอ 4 |
+7 | กมน. 4, เอ็มเอ็น 2โอ้ 7 |
สถานะออกซิเดชันทั่วไปจะแสดงเป็นตัวอักษรหนา |
แมงกานีสสร้างอนุพันธ์ของโลหะออร์กาโนที่หลากหลาย นั่นคือ สารประกอบที่มีพันธะ Mn-C อนุพันธ์ของโลหะออร์กาโนประกอบด้วยตัวอย่างของ Mn จำนวนมากในสถานะออกซิเดชันที่ต่ำกว่า เช่น Mn(−III) ขึ้นไปจนถึง Mn(I) สาขาของเคมีโลหะออร์กาโนนี้มีความน่าสนใจเนื่องจาก Mn มีราคาไม่แพงและมีพิษค่อนข้างต่ำ[36]
สิ่งที่น่าสนใจทางการค้ามากที่สุดคือ "MMT" เมทิลไซโคลเพนตาไดเอนิลแมงกานีสไตรคาร์บอนิลซึ่งใช้เป็น สาร ป้องกันการกระแทกที่เติมลงในน้ำมันเบนซินในบางประเทศ มีลักษณะเด่นคือ Mn(I) ซึ่งสอดคล้องกับลักษณะอื่นๆ ของเคมี Mn(II) แมงกาโนซีน ( Mn(C 5 H 5 ) 2 ) มีสปินสูง ในทางตรงกันข้าม โลหะเหล็กข้างเคียงจะสร้างอนุพันธ์ที่เสถียรต่ออากาศและมีสปินต่ำในรูปแบบของเฟอร์โรซีน ( Fe(C 5 H 5 ) 2 ) เมื่อดำเนินการภายใต้บรรยากาศของคาร์บอนมอนอกไซด์การลดเกลือ Mn(II) จะให้ไดแมงกานีสเดคาคาร์บอนิลMn 2 (CO) 10ซึ่งเป็นของแข็งสีส้มที่ระเหยได้ ความเสถียรต่ออากาศของสารประกอบ Mn(0) นี้ (และอนุพันธ์อื่นๆ) สะท้อนถึงคุณสมบัติของตัวรับอิเล็กตรอนที่ทรงพลังของคาร์บอนมอนอกไซด์คอมเพล็กซ์อัลคีนและคอมเพล็กซ์อัลไคน์จำนวนมากเกิดจากMn 2 (CO) 10 [ จำเป็นต้องอ้างอิง ]
ใน Mn(CH 3 ) 2 (dmpe) 2 Mn(II) มีสปินต่ำ ซึ่งแตกต่างกับลักษณะสปินสูงของสารตั้งต้น MnBr 2 (dmpe) 2 ( dmpe = (CH 3 ) 2 PCH 2 CH 2 P(CH 3 ) 2 ) [37] อนุพันธ์ของโพลีอัลคิลและโพลีอะริลของแมงกานีสมักมีสถานะออกซิเดชันที่สูงกว่า ซึ่งสะท้อนถึงคุณสมบัติการปลดปล่อยอิเล็กตรอนของลิแกนด์อัลคิลและอะริ ลตัวอย่างหนึ่งคือ [Mn(CH 3 ) 6 ] 2− [ จำเป็นต้องอ้างอิง ]
ที่มาของชื่อแมงกานีสมีความซับซ้อน ในสมัยโบราณ มีการระบุแร่สีดำ 2 ชนิดจากบริเวณMagnetes ( Magnesiaซึ่งตั้งอยู่ในกรีกในปัจจุบัน หรือMagnesia ad Sipylumซึ่งตั้งอยู่ในตุรกีในปัจจุบัน) [38]ทั้งสองชนิดถูกเรียกว่าmagnesตามแหล่งกำเนิด แต่ถือว่ามีเพศต่างกันmagnes เพศ ผู้ดึงดูดเหล็ก และปัจจุบันเรียกว่าlodestoneหรือmagnetiteซึ่งอาจเป็นที่มาของคำว่าmagnet แร่ magnesเพศเมียไม่ดึงดูดเหล็ก แต่ใช้ทำให้แก้วเปลี่ยนสี ต่อมา magnes เพศเมียนี้ ถูกเรียกว่าmagnesiaซึ่งปัจจุบันเรียกว่าpyrolusiteหรือmanganese dioxide [ 39]แร่นี้และแมงกานีสธาตุไม่ใช่แม่เหล็ก ในศตวรรษที่ 16 แมงกานีสไดออกไซด์ถูกเรียกว่าmanganesum (สังเกตว่ามี N สองตัวแทนที่จะเป็นหนึ่งตัว) โดยช่างทำแก้ว อาจเป็นการบิดเบือนและเชื่อมโยงคำสองคำเข้าด้วยกัน เนื่องจากนักเล่นแร่แปรธาตุและช่างทำแก้วในที่สุดก็ต้องแยกความแตกต่าง ระหว่าง magnesia nigra (แร่สีดำ) กับmagnesia alba (แร่สีขาว ซึ่งมาจาก Magnesia เช่นกัน มีประโยชน์ในการทำแก้ว) Michele Mercatiเรียก magnesia nigra manganesaและในที่สุดโลหะที่แยกออกมาก็กลายเป็นที่รู้จักในชื่อmanganese ( ภาษาเยอรมัน : Mangan ) ในที่สุดชื่อmagnesiaก็ถูกนำมาใช้เพื่ออ้างถึง white magnesia alba (แมกนีเซียมออกไซด์) เท่านั้น ซึ่งเป็นที่มาของชื่อแมกนีเซียมสำหรับธาตุอิสระเมื่อแยกออกมาในภายหลังมาก[40]
แมงกานีสไดออกไซด์ซึ่งมีอยู่มากมายในธรรมชาติถูกนำมาใช้เป็นเม็ดสีมานานแล้ว ภาพวาดในถ้ำที่เมืองการ์กัส ซึ่งมีอายุ 30,000 ถึง 24,000 ปีนั้นทำมาจาก เม็ดสี MnO 2ในรูปของแร่ธาตุ[42]
ช่างทำแก้วชาวอียิปต์และชาวโรมันใช้สารประกอบแมงกานีสเพื่อเพิ่มหรือขจัดสีออกจากแก้ว[43]การใช้เป็น "สบู่สำหรับช่างทำแก้ว" ยังคงดำเนินต่อไปตั้งแต่สมัยกลาง จนถึงยุคปัจจุบัน และเห็นได้ชัดเจนในแก้วจาก เมืองเวนิสในศตวรรษที่ 14 [ 44]
เนื่องจากแมงกานีสไดออกไซด์ถูกนำมาใช้ในการผลิตแก้ว จึงทำให้ สามารถใช้ แมงกานีสไดออกไซด์ ในการทดลองของนักเล่นแร่แปรธาตุซึ่งเป็นนักเคมีกลุ่มแรกได้Ignatius Gottfried Kaim (1770) และJohann Glauber (ศตวรรษที่ 17) ค้นพบว่าแมงกานีสไดออกไซด์สามารถเปลี่ยนเป็น เปอร์แมงกาเนต ซึ่งเป็นสารเคมีในห้องปฏิบัติการที่มีประโยชน์ได้[45] Kaim อาจลดแมงกานีสไดออกไซด์เพื่อแยกโลหะได้ แต่ยังไม่ชัดเจน[46]ในช่วงกลางศตวรรษที่ 18 นักเคมีชาวสวีเดนCarl Wilhelm Scheeleใช้แมงกานีสไดออกไซด์ในการผลิตคลอรีนขั้นแรกกรดไฮโดรคลอริกหรือส่วนผสมของกรดซัลฟิวริก เจือจาง และโซเดียมคลอไรด์ถูกทำให้ทำปฏิกิริยากับแมงกานีสไดออกไซด์ และต่อมามีการใช้กรดไฮโดรคลอริกจากกระบวนการ Leblancและนำแมงกานีสไดออกไซด์กลับมาใช้ใหม่โดยกระบวนการ Weldonการผลิตคลอรีนและ สารฟอกขาวไฮ โปคลอไรต์ เป็นการบริโภคแร่แมงกานีสในปริมาณมาก[ จำเป็นต้องอ้างอิง ]
Scheele และคนอื่นๆ ทราบดีว่าไพโรลูไซต์ (รูปแบบแร่ของแมงกานีสไดออกไซด์) มีธาตุใหม่Johan Gottlieb Gahn แยกตัวอย่างโลหะแมงกานีสที่ ไม่บริสุทธิ์ในปี 1774 โดยทำโดยรีดิวซ์ไดออกไซด์ด้วยคาร์บอน[47]
ปริมาณแมงกานีสในแร่เหล็กบางชนิดที่ใช้ในกรีซทำให้เกิดการคาดเดาว่าเหล็กที่ผลิตจากแร่ดังกล่าวจะมีแมงกานีสเพิ่มเข้ามา ทำให้ เหล็ก สปาร์ตันมีความแข็งเป็นพิเศษ[48]ในช่วงต้นศตวรรษที่ 19 แมงกานีสถูกนำมาใช้ในการผลิตเหล็กและมีการจดสิทธิบัตรหลายฉบับ ในปี พ.ศ. 2359 มีการบันทึกว่าเหล็กที่ผสมแมงกานีสมีความแข็งกว่าแต่ไม่เปราะกว่า ในปี พ.ศ. 2380 เจมส์ คูเปอร์ นักวิชาการชาวอังกฤษ ได้สังเกตเห็นความเชื่อมโยงระหว่างการสัมผัสแมงกานีสในปริมาณมากของคนงานเหมืองกับโรคพาร์กินสันชนิดหนึ่ง[ 49 ]ในปี พ.ศ. 2455 สหรัฐอเมริกาได้รับสิทธิบัตรในการปกป้องอาวุธปืนจากสนิมและการกัดกร่อนด้วยสารเคลือบแปลงไฟฟ้าเคมีฟอสเฟตแมงกานีส และกระบวนการนี้ได้รับการใช้อย่างแพร่หลายนับตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา[50]
การประดิษฐ์เซลล์ Leclanchéในปี 1866 และการพัฒนาแบตเตอรี่ที่มีแมงกานีสไดออกไซด์เป็นตัวดีโพลาไรเซอร์ แบบแคโทดิกในเวลาต่อมา ทำให้ความต้องการแมงกานีสไดออกไซด์เพิ่มขึ้น จนกระทั่งมีการพัฒนาแบตเตอรี่ที่มีนิกเกิล-แคดเมียมและลิเธียม แบตเตอรี่ส่วนใหญ่มีแมงกานีสแบตเตอรี่สังกะสี-คาร์บอนและแบตเตอรี่อัลคาไลน์โดยปกติจะใช้แมงกานีสไดออกไซด์ที่ผลิตในเชิงอุตสาหกรรม เนื่องจากแมงกานีสไดออกไซด์ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติมีสิ่งเจือปน ในศตวรรษที่ 20 แมงกานีสไดออกไซด์ถูกใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นแคโทดิกสำหรับแบตเตอรี่แห้งแบบใช้แล้วทิ้งเชิงพาณิชย์ทั้งแบบมาตรฐาน (สังกะสี-คาร์บอน) และแบบอัลคาไลน์[51]
แมงกานีสมีความจำเป็นต่อการผลิตเหล็กและเหล็กกล้าเนื่องจากมีคุณสมบัติ ในการตรึงกำมะถัน ดีออกซิไดซ์และโลหะผสม[52]การใช้แมงกานีสนี้ได้รับการยอมรับเป็นครั้งแรกโดยนักโลหะวิทยาชาวอังกฤษชื่อRobert Forester Mushet (พ.ศ. 2354–2434) ซึ่งในปี พ.ศ. 2399 ได้แนะนำธาตุนี้ในรูปแบบของSpiegeleisen
แมงกานีสประกอบด้วย เปลือกโลกประมาณ 1,000 ppm (0.1%) และเป็นธาตุที่พบมากเป็นอันดับ 12 [8]ดินมีแมงกานีส 7–9,000 ppm โดยเฉลี่ย 440 ppm [8]บรรยากาศมี 0.01 μg/m 3 [8]แมงกานีสพบส่วนใหญ่อยู่ในรูปของไพโรลูไซต์ ( MnO 2 ), บราวไนต์ ( Mn 2+ Mn 3+ 6 )SiO 12 ), [53] ไซโลเมเลน( Ba,H 2 O) 2 Mn 5 O 10และในระดับที่น้อยกว่าในรูปของโรโดโครไซต์ ( MnCO 3 )
แร่แมงกานีส | ไซโลเมเลน (แร่แมงกานีส) | Spiegeleisenคือโลหะผสมเหล็กที่มีปริมาณแมงกานีสประมาณ 15% | เดนไดรต์แมงกานีสออกไซด์บนหินปูนจากโซลน์โฮเฟน ประเทศเยอรมนี – ฟอสซิลเทียมชนิดหนึ่งสเกลเป็นมิลลิเมตร | แร่โรโดโครไซต์ ( แมงกานีส(II) คาร์บอเนต ) |
แร่แมงกานีสที่สำคัญที่สุดคือไพโรลูไซต์ ( MnO 2 ) แร่แมงกานีสที่สำคัญทางเศรษฐกิจอื่นๆ มักมีความสัมพันธ์เชิงพื้นที่ที่ใกล้ชิดกับแร่เหล็ก เช่น สฟาเรอ ไรต์[10] [54]ทรัพยากรบนบกมีจำนวนมากแต่กระจายไม่สม่ำเสมอ ประมาณ 80% ของทรัพยากรแมงกานีสที่รู้จักทั่วโลกอยู่ในแอฟริกาใต้ แหล่งแมงกานีสที่สำคัญอื่นๆ อยู่ในยูเครน ออสเตรเลีย อินเดีย จีนกาบองและบราซิล[52]ตามการประมาณการในปี 1978 พื้นมหาสมุทร มี ก้อนแมงกานีส 500 พันล้านตัน[ 55]ความพยายามในการค้นหาวิธีการเก็บเกี่ยวก้อนแมงกานีสที่คุ้มทุนถูกยกเลิกในปี 1970 [56]
ในแอฟริกาใต้ แหล่งแร่แมงกานีสที่พบส่วนใหญ่ตั้งอยู่ใกล้กับโฮทาเซลในจังหวัดเคปเหนือ (ทุ่งแมงกานีสคาลาฮารี) โดยในปี 2554 คาดว่ามีแร่แมงกานีสประมาณ 15,000 ล้านตัน ในปี 2554 แอฟริกาใต้ผลิตแร่แมงกานีสได้ 3.4 ล้านตัน ซึ่งมากกว่าประเทศอื่นๆ[57]
แมงกานีสถูกขุดส่วนใหญ่ในแอฟริกาใต้ ออสเตรเลีย จีน กาบอง บราซิล อินเดีย คาซัคสถาน กานา ยูเครน และมาเลเซีย[58]
ในการผลิตเฟอร์โรแมงกานีสแร่แมงกานีสจะถูกผสมกับแร่เหล็กและคาร์บอน จากนั้นจึงลดปริมาณในเตาเผาหรือเตาเผาไฟฟ้า[59]เฟอร์โรแมงกานีสที่ได้จะมีปริมาณแมงกานีส 30–80% [10]แมงกานีสบริสุทธิ์ที่ใช้ในการผลิตโลหะผสมที่ปราศจากเหล็กนั้นผลิตขึ้นโดยการสกัดแร่แมงกานีสด้วยกรดซัลฟิวริกและกระบวนการอิเล็กโตรวินเนอร์ ที่ตามมา [60]
กระบวนการสกัดที่ก้าวหน้ายิ่งขึ้นเกี่ยวข้องกับการลดแร่แมงกานีส (เกรดต่ำ) โดยตรงโดยการกอง แร่ ซึ่งทำได้โดยการซึมผ่านก๊าซธรรมชาติผ่านก้นกอง ก๊าซธรรมชาติจะให้ความร้อน (ต้องมีอุณหภูมิอย่างน้อย 850 °C) และตัวรีดักชัน (คาร์บอนมอนอกไซด์) ซึ่งจะทำให้แร่แมงกานีสทั้งหมดลดเป็นแมงกานีสออกไซด์ (MnO) ซึ่งเป็นรูปแบบที่สามารถชะล้างได้ จากนั้นแร่จะเคลื่อนที่ผ่านวงจรบดเพื่อลดขนาดอนุภาคของแร่ให้เหลือระหว่าง 150 ถึง 250 μm เพิ่มพื้นที่ผิวเพื่อช่วยในการชะล้าง จากนั้นแร่จะถูกเติมลงในถังชะล้างของกรดซัลฟิวริกและเหล็กเฟอร์รัส (Fe 2+ ) ในอัตราส่วน 1.6:1 เหล็กจะทำปฏิกิริยากับแมงกานีสไดออกไซด์ (MnO 2 ) เพื่อสร้างเหล็กไฮดรอกไซด์ (FeO(OH)) และแมงกานีสธาตุ (Mn) [ จำเป็นต้องอ้างอิง ]
กระบวนการนี้ทำให้ได้แมงกานีสคืนมาได้ประมาณ 92% สำหรับการทำให้บริสุทธิ์เพิ่มเติม แมงกานีสสามารถส่งไปยังโรงงานอิเล็กโตรวิน ได้ [61]
ในปี 1972 โครงการ AzorianของCIAผ่านทางมหาเศรษฐีHoward Hughesได้มอบหมายให้เรือHughes Glomar Explorerสร้างเรื่องราวเกี่ยวกับการเก็บแมงกานีสจากพื้นทะเล[62]ซึ่งกระตุ้นให้เกิดกิจกรรมการเก็บรวบรวมแมงกานีสอย่างเร่งรีบ ซึ่งในทางปฏิบัติไม่สามารถทำได้จริงจนกระทั่งในช่วงทศวรรษ 2020 ภารกิจที่แท้จริงของเรือ Hughes Glomar Explorerคือการสร้างเรือดำน้ำโซเวียต ที่จมอยู่ใต้น้ำ K-129โดยมีเป้าหมายเพื่อกู้หนังสือรหัสของโซเวียต[63]
แหล่งแมงกานีสที่อุดมสมบูรณ์ในรูปแบบของก้อนแมงกานีสที่พบบนพื้นมหาสมุทร[64]ก้อนแมงกานีสเหล่านี้ซึ่งประกอบด้วยแมงกานีส 29% [65]อยู่ตามพื้นมหาสมุทรผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมจากการรวบรวมก้อนแมงกานีสนั้นน่าสนใจ[66] [67]
แมงกานีสที่ละลายน้ำ (dMn) พบได้ทั่วไปในมหาสมุทรทั่วโลก โดย 90% ของแมงกานีสมีต้นกำเนิดจากปล่องน้ำพุร้อน[68]แมงกานีสที่ละลายน้ำได้จะก่อตัวขึ้นในพวยน้ำที่ลอยอยู่เหนือแหล่งปล่องน้ำพุร้อนที่ยังคงทำงานอยู่ ในขณะที่ dMn มีพฤติกรรมที่ ค่อนข้างอนุรักษ์นิยม [69]ความเข้มข้นของแมงกานีสจะแตกต่างกันไปในแต่ละคอลัมน์น้ำของมหาสมุทร ที่ผิวน้ำ dMn จะสูงขึ้นเนื่องจากปริมาณที่ป้อนจากแหล่งภายนอก เช่น แม่น้ำ ฝุ่น และตะกอนบนหิ้ง โดยปกติแล้วตะกอนชายฝั่งจะมีความเข้มข้นของแมงกานีสต่ำกว่า แต่สามารถเพิ่มขึ้นได้เนื่องจากการปล่อยทิ้งจากมนุษย์จากอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น การทำเหมืองและการผลิตเหล็ก ซึ่งไหลลงสู่มหาสมุทรจากปริมาณที่ป้อนจากแม่น้ำ ความเข้มข้นของ dMn บนผิวน้ำยังสามารถเพิ่มขึ้นได้ทางชีวภาพผ่านการสังเคราะห์ด้วยแสงและทางกายภาพจากกระแสน้ำขึ้นลงตามชายฝั่งและกระแสน้ำผิวดินที่เกิดจากลม การหมุนเวียนภายใน เช่น การลดแสงจากรังสี UV ยังสามารถยกระดับได้โดยเร่งการละลายของออกไซด์ของแมงกานีสและการกำจัดออกซิเดชัน ซึ่งป้องกันไม่ให้แมงกานีสจมลงสู่แหล่งน้ำที่ลึกกว่า[70]ระดับที่สูงขึ้นที่ระดับความลึกกลางอาจเกิดขึ้นใกล้สันเขาใต้ทะเลและปล่องน้ำพุร้อน ปล่องน้ำพุร้อนจะปล่อยของเหลวที่มีแมงกานีสเข้มข้นลงในน้ำ จากนั้นแมงกานีสจะเดินทางได้ไกลถึง 4,000 กม. เนื่องจากมีแคปซูลจุลินทรีย์อยู่ จึงป้องกันการแลกเปลี่ยนกับอนุภาค ทำให้อัตราการจมลดลง ความเข้มข้นของแมงกานีสที่ละลายจะสูงขึ้นเมื่อระดับออกซิเจนต่ำ โดยรวมแล้ว ความเข้มข้นของแมงกานีสมักจะสูงขึ้นในบริเวณชายฝั่งและลดลงเมื่อเคลื่อนตัวออกนอกชายฝั่ง[70]
แมงกานีสพบในดินในสถานะออกซิเดชันสามสถานะ ได้แก่ ไอออนบวกสองประจุ Mn 2+และออกไซด์สีน้ำตาลดำและไฮดรอกไซด์ที่มี Mn (III,IV) เช่น MnOOH และ MnO 2ค่า pH ของดินและสภาวะออกซิเดชัน-รีดักชันมีผลต่อการกำหนดว่า Mn ทั้งสามรูปแบบใดที่โดดเด่นในดิน เมื่อค่า pH ต่ำกว่า 6 หรือในสภาวะที่ไม่มีอากาศ Mn(II) จะโดดเด่น ในขณะที่ในสภาวะที่เป็นด่างและมีอากาศมากกว่า Mn(III,IV) ออกไซด์และไฮดรอกไซด์จะมีมากกว่า ผลกระทบของความเป็นกรดของดินและการเติมอากาศต่อรูปแบบของ Mn เหล่านี้สามารถปรับเปลี่ยนหรือควบคุมได้โดยกิจกรรมของจุลินทรีย์ การหายใจของจุลินทรีย์สามารถทำให้เกิดการออกซิเดชันของ Mn 2+เป็นออกไซด์ และอาจทำให้ออกไซด์เกิดการรีดักชันเป็นไอออนบวก สองประจุ [71]
ออกไซด์ของ Mn(III,IV) มีอยู่ในรูปของคราบสีน้ำตาลดำและก้อนเล็กๆ บนอนุภาคทราย ตะกอน และดินเหนียว สารเคลือบพื้นผิวเหล่านี้บนอนุภาคดินอื่นๆ มีพื้นที่ผิวสูงและมีประจุลบ ไซต์ที่มีประจุสามารถดูดซับและกักเก็บไอออนบวกต่างๆ โดยเฉพาะโลหะหนัก (เช่น Cr 3+ , Cu 2+ , Zn 2+และ Pb 2+ ) นอกจากนี้ ออกไซด์ยังสามารถดูดซับกรดอินทรีย์และสารประกอบอื่นๆ ได้ การดูดซับของโลหะและสารประกอบอินทรีย์สามารถทำให้โลหะและสารประกอบอินทรีย์เหล่านี้ถูกออกซิไดซ์ในขณะที่ออกไซด์ของ Mn(III,IV) ถูกทำให้ลดลงเป็น Mn 2+ (เช่น Cr 3+เป็น Cr(VI) และไฮโดรควิโนน ไร้สีเป็นพอลิเมอร์ ควิโนนสีชา) [72]
แมงกานีสมีความจำเป็นต่อการผลิตเหล็กและเหล็กกล้าเนื่องจากมีคุณสมบัติในการ ตรึง กำมะถัน ดีออกซิไดซ์และโลหะผสมแมงกานีสไม่มีสารทดแทนที่น่าพอใจในการประยุกต์ใช้ในโลหะวิทยาเหล่านี้[52] การผลิตเหล็ก[73]รวมถึงส่วนประกอบการผลิตเหล็ก มีสัดส่วนความต้องการแมงกานีสมากที่สุด โดยปัจจุบันอยู่ในช่วง 85% ถึง 90% ของความต้องการทั้งหมด[60] แมงกานีสเป็นองค์ประกอบสำคัญ ของเหล็กกล้าไร้สนิมราคาถูก[74] [75]เฟอร์โรแมงกานีส (โดยปกติมีแมงกานีสประมาณ 80%) มักเป็นสารตัวกลางในกระบวนการสมัยใหม่
แมงกานีสปริมาณเล็กน้อยช่วยปรับปรุงการใช้งานของเหล็กที่อุณหภูมิสูงโดยสร้างซัลไฟด์ที่มีจุดหลอมเหลวสูงและป้องกันการก่อตัวของเหล็กซัลไฟด์ เหลว ที่ขอบเกรน หากปริมาณแมงกานีสถึง 4% ความเปราะบางของเหล็กจะกลายเป็นลักษณะเด่น ความเปราะบางจะลดลงเมื่อมีความเข้มข้นของแมงกานีสที่สูงขึ้นและจะถึงระดับที่ยอมรับได้ที่ 8% เหล็กที่มีแมงกานีส 8 ถึง 15% มีความแข็งแรงในการดึง สูง ถึง 863 MPa [76] [77]เหล็กที่มีแมงกานีส 12% ถูกค้นพบในปี พ.ศ. 2425 โดยโรเบิร์ต แฮดฟิลด์และยังคงรู้จักกันในชื่อเหล็กแฮดฟิลด์ (แมงกัลลอย) เหล็กชนิดนี้ถูกนำมาใช้ทำหมวกเหล็กของกองทัพอังกฤษและต่อมาโดยกองทัพสหรัฐ[78]
แมงกานีสใช้ในการผลิตโลหะผสมที่มีอะลูมิเนียม อะลูมิเนียมที่มีแมงกานีสประมาณ 1.5% มีความทนทานต่อการกัดกร่อนเพิ่มขึ้นผ่านเมล็ดพืชที่ดูดซับสิ่งเจือปนซึ่งจะนำไปสู่การกัดกร่อนแบบกัลวานิก [ 79] โลหะผสมอะลูมิเนียมที่ทนทานต่อการกัดกร่อน3004 และ 3104 (แมงกานีส 0.8 ถึง 1.5%) ใช้ในกระป๋องเครื่องดื่ม ส่วน ใหญ่[80]ก่อนปี 2000 มีการใช้โลหะผสมเหล่านี้มากกว่า 1.6 ล้านตันโดยที่แมงกานีส 1% จะใช้แมงกานีส 16,000 ตัน[ การตรวจยืนยันล้มเหลว ] [80]
แมงกานีส (IV) ออกไซด์ ถูกนำมาใช้ใน แบตเตอรี่แบบแห้งชนิดเดิมเป็นตัวรับอิเล็กตรอนจากสังกะสี และเป็นวัสดุสีดำในเซลล์ไฟฉายประเภทคาร์บอน-สังกะสี แมงกานีสไดออกไซด์จะถูกทำให้ลดลงเป็นแมงกานีสออกไซด์-ไฮดรอกไซด์ MnO(OH) ในระหว่างการคายประจุ ซึ่งจะป้องกันการก่อตัวของไฮโดรเจนที่ขั้วบวกของแบตเตอรี่[81]
วัสดุชนิดเดียวกันนี้ยังใช้กับแบตเตอรี่อัลคาไลน์ รุ่นใหม่ (โดยปกติคือเซลล์แบตเตอรี่) ซึ่งใช้ปฏิกิริยาเบสแบบเดียวกัน แต่มีส่วนผสมของอิเล็กโทรไลต์ที่แตกต่างกัน ในปี 2002 มีการใช้แมงกานีสไดออกไซด์มากกว่า 230,000 ตันเพื่อจุดประสงค์นี้[51] [81]
โลหะผสมทองแดงของแมงกานีส เช่นแมงกานินมักพบในตัวต้านทานแบบแยกส่วน ธาตุโลหะ ที่ใช้สำหรับวัดกระแสไฟฟ้าในปริมาณที่ค่อนข้างมาก โลหะผสมเหล่านี้มีค่าสัมประสิทธิ์ความต้านทานต่ออุณหภูมิ ต่ำมาก และทนต่อกำมะถัน ทำให้โลหะผสมเหล่านี้มีประโยชน์อย่างยิ่งในสภาพแวดล้อมยานยนต์และอุตสาหกรรมที่รุนแรง[82]
แมงกานีสออกไซด์และซัลเฟตเป็นส่วนประกอบของปุ๋ย ในปี 2543 มีการใช้สารประกอบเหล่านี้ในปุ๋ยในสหรัฐอเมริกาเพียงประเทศเดียวประมาณ 20,000 ตัน สารประกอบแมงกานีสในปริมาณที่ใกล้เคียงกันยังใช้ในอาหารสัตว์อีกด้วย[83]
เมทิลไซโคลเพนตาไดเอนิลแมงกานีสไตรคาร์บอนิลเป็นสารเติมแต่งในน้ำมันเบนซินไร้สารตะกั่ว บางชนิด เพื่อเพิ่มค่าออกเทนและลดการน็อคเครื่องยนต์[84]
แมงกานีส (IV) ออกไซด์ (แมงกานีสไดออกไซด์, MnO 2 ) ใช้เป็นรีเอเจนต์ในเคมีอินทรีย์สำหรับออกซิเดชันของแอลกอฮอล์ เบนซิลิก (โดยที่ กลุ่ม ไฮดรอกซิลอยู่ติดกับวงแหวนอะโรมาติก ) แมงกานีสไดออกไซด์ถูกใช้มาตั้งแต่สมัยโบราณเพื่อออกซิไดซ์และทำให้สีเขียวในแก้วเป็นกลางจากการปนเปื้อนของเหล็กในปริมาณเล็กน้อย[44] MnO 2ยังใช้ในการผลิตออกซิเจนและคลอรีน รวมถึงในการทำให้สีดำแห้ง ในผลิตภัณฑ์บางชนิด MnO 2 เป็นเม็ด สีน้ำตาล สำหรับสีและเป็นส่วนประกอบของสีน้ำตาลอมส้มธรรมชาติ[85]
แมงกานีส สี่วาเลนต์ถูกใช้เป็นตัวกระตุ้นในฟอสเฟอร์ เปล่งแสงสีแดง แม้ว่าจะมีสารประกอบหลายชนิดที่เรืองแสงได้ [ 86] แต่ ส่วนใหญ่ไม่ได้ถูกใช้ในเชิงพาณิชย์เนื่องจากมีประสิทธิภาพต่ำหรือเปล่งแสงสีแดงเข้ม[87] [88] อย่างไรก็ตาม มีรายงานว่าฟลูออไรด์ที่เปิดใช้งานด้วยMn 4+ หลายตัวเป็นฟอสเฟอร์เปล่งแสงสีแดงที่มีศักยภาพสำหรับ LED สีขาวอุ่น [89] [90]แต่จนถึงทุกวันนี้ มีเพียง K 2 SiF 6 :Mn 4+ เท่านั้น ที่มีจำหน่ายในเชิงพาณิชย์สำหรับใช้ในLED สีขาวอุ่น [91]
โลหะนี้ใช้ทำเหรียญเป็นครั้งคราว จนถึงปี 2000 เหรียญสหรัฐที่ใช้แมงกานีสมีเพียงนิกเกิล "ช่วงสงคราม" เท่านั้น ตั้งแต่ปี 1942 ถึง 1945 [92]โลหะผสมทองแดง 75% และนิกเกิล 25% ถูกนำมาใช้ในการผลิตเหรียญนิกเกิลโดยทั่วไป อย่างไรก็ตาม เนื่องจากโลหะนิกเกิลขาดแคลนในช่วงสงคราม จึงถูกแทนที่ด้วยเงินและแมงกานีสที่มีอยู่มากกว่า ส่งผลให้ได้โลหะผสมทองแดง 56% เงิน 35% และแมงกานีส 9% ตั้งแต่ปี 2000 เหรียญดอลลาร์เช่นเหรียญดอลลาร์ Sacagaweaและเหรียญ 1 ดอลลาร์ของประธานาธิบดีทำจากทองเหลืองที่มีแมงกานีส 7% พร้อมแกนทองแดงบริสุทธิ์[93]ในกรณีของนิกเกิลและดอลลาร์ การใช้แมงกานีสในเหรียญมีไว้เพื่อจำลองคุณสมบัติทางแม่เหล็กไฟฟ้าของเหรียญที่มีขนาดและมูลค่าเท่ากันในกลไกของเครื่องจำหน่ายสินค้าอัตโนมัติ ในกรณีของเหรียญดอลลาร์สหรัฐรุ่นหลังนั้น โลหะผสมแมงกานีสมีวัตถุประสงค์เพื่อจำลองคุณสมบัติของโลหะผสมทองแดง/นิกเกิลที่ใช้ในเหรียญดอลลาร์ Susan B. Anthony รุ่นก่อนหน้า นี้
สารประกอบแมงกานีสถูกนำมาใช้เป็นเม็ดสีและสำหรับการระบายสีเซรามิกและแก้ว สีน้ำตาลของเซรามิกบางครั้งเป็นผลมาจากสารประกอบแมงกานีส[94]ในอุตสาหกรรมแก้ว สารประกอบแมงกานีสถูกนำมาใช้เพื่อผลสองประการแมงกานีส (III)ทำปฏิกิริยากับเหล็ก (II)เพื่อลดสีเขียวที่เข้มข้นในแก้วโดยการสร้างเหล็ก (III) ที่มีสีน้อยลงและแมงกานีส (II) สีชมพูเล็กน้อยเพื่อชดเชยสีที่เหลือของเหล็ก (III) [44]แมงกานีสปริมาณมากขึ้นถูกใช้เพื่อผลิตแก้วสีชมพู ในปี 2009 Mas Subramanianและผู้ร่วมงานที่Oregon State Universityค้นพบว่าแมงกานีสสามารถรวมกับอิตเทรียมและอินเดียมเพื่อสร้างเม็ดสีสีน้ำเงิน เข้มข้น ไม่เป็นพิษ เฉื่อย ทนต่อการซีดจางYInMn Blue [ 95]ซึ่งเป็นเม็ดสีน้ำเงินชนิดใหม่แรกที่ค้นพบในรอบ 200 ปี[96]
เอนไซม์หลายกลุ่ม ประกอบด้วย โคแฟกเตอร์แมงกานีสได้แก่ ออกซิโดเร ดัก เตส ทราน สเฟอเรสไฮโดรเลส ไลเอส ไอโซเมอเรสและไลกาเซสเอนไซม์อื่นๆ ที่มีแมงกานีส ได้แก่อาร์จิเนสและซูเปอร์ออกไซด์ดิสมิวเทส ที่มีแมงกานีส ( Mn-SOD ) ทรานสคริปเทสย้อนกลับของเรโทรไวรัส หลายชนิด (แต่ไม่ใช่เลนติไวรัสเช่นHIV ) มีแมงกานีส โพ ลี เปปไทด์ ที่มีแมงกานีส ได้แก่ท็อกซินคอตีบเลกตินและอินทิกริน [ 97]
คอมเพล็กซ์วิวัฒนาการออกซิเจน (OEC) ซึ่งประกอบด้วยอะตอมแมงกานีสสี่อะตอม เป็นส่วนหนึ่งของโฟโตซิสเต็ม II ที่มีอยู่ในเยื่อไทลาคอยด์ของคลอโรพลาสต์ OEC มีหน้าที่ในการออกซิเดชันด้วยแสงในขั้นตอนสุดท้ายของน้ำระหว่างปฏิกิริยาแสงของการสังเคราะห์ด้วย แสง กล่าวคือ OEC เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่สร้าง O 2ที่พืชผลิตขึ้น[98] [99]
แมงกานีสเป็นองค์ประกอบสำคัญในอาหารของมนุษย์และมีอยู่ในรูปโคเอนไซม์ในกระบวนการทางชีวภาพหลายอย่าง ซึ่งรวมถึงการเผาผลาญสารอาหารหลัก การสร้างกระดูก และ ระบบป้องกันอนุมูล อิสระแมงกานีสเป็นองค์ประกอบที่สำคัญในโปรตีนและเอนไซม์หลายสิบชนิด[7]ร่างกายมนุษย์มีแมงกานีสประมาณ 12 มิลลิกรัม โดยส่วนใหญ่อยู่ในกระดูก ส่วนที่เหลือของเนื้อเยื่ออ่อนจะกระจุกตัวอยู่ในตับและไต[8]ในสมองของมนุษย์ แมงกานีสจะจับกับเมทัลโลโปรตีน ของแมงกานีส โดยเฉพาะอย่างยิ่งกลูตามีนซินเทสในแอสโตรไซต์ [ 100]
เพศชาย | เพศหญิง | ||
---|---|---|---|
อายุ | AI (มก./วัน) | อายุ | AI (มก./วัน) |
1–3 | 1.2 | 1–3 | 1.2 |
4–8 | 1.5 | 4–8 | 1.5 |
9–13 | 1.9 | 9–13 | 1.6 |
14–18 | 2.2 | 14–18 | 1.6 |
19+ | 2.3 | 19+ | 1.8 |
ตั้งครรภ์: 2 | |||
การให้นมบุตร: 2.6 |
สถาบันการแพทย์แห่งสหรัฐอเมริกา (IOM) ได้ปรับปรุงค่าประมาณความต้องการเฉลี่ย (EAR) และค่าปริมาณที่แนะนำสำหรับการบริโภค (RDA) สำหรับแร่ธาตุในปี 2544 สำหรับแมงกานีส ไม่มีข้อมูลเพียงพอที่จะกำหนดค่า EAR และ RDA ดังนั้นความต้องการจึงอธิบายเป็นค่าประมาณสำหรับปริมาณการบริโภคที่เพียงพอ (AI) สำหรับความปลอดภัย IOM กำหนดระดับการบริโภคสูงสุดที่ยอมรับได้ (UL) สำหรับวิตามินและแร่ธาตุเมื่อมีหลักฐานเพียงพอ ในกรณีของแมงกานีส ค่าปริมาณที่แนะนำสำหรับผู้ใหญ่จะกำหนดไว้ที่ 11 มก./วัน โดยรวม EAR, RDA, AI และ UL จะถูกเรียกว่าปริมาณการบริโภคอ้างอิงสำหรับอาหาร (DRI) [101]การขาดแมงกานีสเกิดขึ้นได้น้อย[102]
สำนักงานความปลอดภัยด้านอาหารแห่งยุโรป (EFSA) อ้างถึงชุดข้อมูลรวมเป็นค่าอ้างอิงด้านโภชนาการ โดยใช้ค่าปริมาณการบริโภคอ้างอิงของประชากร (PRI) แทนค่า RDA และค่าความต้องการเฉลี่ยแทนค่า EAR ค่า AI และ UL ถูกกำหนดเช่นเดียวกับในสหรัฐอเมริกา สำหรับผู้ที่มีอายุ 15 ปีขึ้นไป จะกำหนด AI ไว้ที่ 3.0 มก./วัน ค่า AI สำหรับหญิงตั้งครรภ์และให้นมบุตรคือ 3.0 มก./วัน สำหรับเด็กอายุ 1–14 ปี ค่า AI จะเพิ่มขึ้นตามอายุตั้งแต่ 0.5 ถึง 2.0 มก./วัน ค่า AI ของผู้ใหญ่จะสูงกว่าค่า RDA ของสหรัฐอเมริกา[103] EFSA ได้ตรวจสอบคำถามด้านความปลอดภัยเดียวกันและตัดสินใจว่าไม่มีข้อมูลเพียงพอที่จะกำหนด UL [104]
สำหรับวัตถุประสงค์ในการติดฉลากอาหารและผลิตภัณฑ์เสริมอาหารของสหรัฐอเมริกา ปริมาณในหนึ่งหน่วยบริโภคจะแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ของมูลค่ารายวัน (%DV) สำหรับวัตถุประสงค์ในการติดฉลากแมงกานีส มูลค่ารายวัน 100% คือ 2.0 มก. แต่เมื่อวันที่ 27 พฤษภาคม 2016 ได้มีการแก้ไขเป็น 2.3 มก. เพื่อให้สอดคล้องกับ RDA [105] [106]ตารางมูลค่ารายวันสำหรับผู้ใหญ่แบบเก่าและแบบใหม่มีอยู่ในReference Daily Intake
การได้รับหรือบริโภคมากเกินไปอาจทำให้เกิดภาวะที่เรียกว่าแมงกานีสซึ่งเป็น โรคระบบประสาท เสื่อมที่ทำให้ เซลล์ประสาทตาย เนื่องจากโดพามีนและมีอาการคล้ายกับโรคพาร์กินสัน[8] [107]
การขาดแมงกานีสในมนุษย์ซึ่งพบได้น้อย ส่งผลให้เกิดปัญหาทางการแพทย์หลายประการ การขาดแมงกานีสทำให้โครงกระดูกของสัตว์ผิดรูปและไปยับยั้งการสร้างคอลลาเจนในการรักษาแผล[108]
แมงกานีสในน้ำมีปริมาณการดูดซึมทางชีวภาพ สูง กว่าแมงกานีสในอาหาร จากผลการศึกษาในปี 2010 [109]การได้รับแมงกานีสในน้ำดื่ม ในปริมาณที่สูงขึ้น มีความเกี่ยวข้องกับความบกพร่องทางสติปัญญา ที่เพิ่มขึ้น และค่าสัมประสิทธิ์ของเชาวน์ปัญญา ที่ลดลง ในเด็กวัยเรียน มีสมมติฐานว่าการสัมผัสเป็นเวลานานเนื่องจากสูดดมแมงกานีสที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติในน้ำฝักบัวทำให้ชาวอเมริกันมีความเสี่ยงสูงถึง 8.7 ล้านคน[110]อย่างไรก็ตาม ข้อมูลบ่งชี้ว่าร่างกายมนุษย์สามารถฟื้นตัวจากผลข้างเคียงบางประการจากการได้รับแมงกานีสมากเกินไปได้ หากหยุดการสัมผัสและร่างกายสามารถขับแมงกานีสส่วนเกินออกไปได้[111]
ระดับแมงกานีสในน้ำทะเลอาจเพิ่มขึ้นเมื่อเกิดช่วงที่ขาดออกซิเจน[112]ตั้งแต่ปี 1990 มีรายงานการสะสมของแมงกานีสในสิ่งมีชีวิตในทะเล รวมทั้งปลา สัตว์จำพวกกุ้ง หอย และอีไคโนเดิร์ม เนื้อเยื่อเฉพาะเป็นเป้าหมายในสิ่งมีชีวิตต่าง ๆ รวมทั้งเหงือก สมอง เลือด ไต ตับ/ ตับอ่อนมีรายงานผลทางสรีรวิทยาในสิ่งมีชีวิตเหล่านี้ แมงกานีสสามารถส่งผลต่อการสร้างภูมิคุ้มกันและการทำงานของเซลล์ เช่นการจับกินและการกระตุ้นโปรฟีนอลออกซิเดสทำให้ระบบภูมิคุ้มกันของสิ่งมีชีวิตถูกกดทับ ส่งผลให้สิ่งมีชีวิตเสี่ยงต่อการติดเชื้อมากขึ้น เมื่อเกิดการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ การแพร่กระจายของเชื้อโรคจะเพิ่มขึ้น และเพื่อให้สิ่งมีชีวิตสามารถอยู่รอดและป้องกันตัวเองจากเชื้อโรคเหล่านี้ได้ สิ่งมีชีวิตจำเป็นต้องมีระบบภูมิคุ้มกันที่แข็งแรงและมีสุขภาพดี หากระบบของสิ่งมีชีวิตได้รับความเสียหายจากระดับแมงกานีสที่สูง สิ่งมีชีวิตจะไม่สามารถต่อสู้กับเชื้อโรคเหล่านี้ได้และตายไป[68]
เมทิลไซโคลเพนตาไดเอนิลแมงกานีสไตรคาร์บอนิล (MMT) เป็นสารเติมแต่งที่พัฒนาขึ้นเพื่อทดแทนสารประกอบตะกั่วในน้ำมันเบนซินเพื่อปรับปรุงค่าออกเทน MMT ใช้เฉพาะในบางประเทศเท่านั้น เชื้อเพลิงที่มีแมงกานีสมีแนวโน้มที่จะสร้างคาร์ไบด์แมงกานีส ซึ่งทำลายวาล์วไอเสีย
เมื่อเทียบกับปี 1953 ระดับแมงกานีสในอากาศลดลง[113]โดยทั่วไป การสัมผัสกับความเข้มข้นของ Mn ในอากาศโดยรอบที่เกิน 5 μg Mn/m 3อาจทำให้เกิดอาการที่เกิดจาก Mn การแสดงออกของโปรตีน เฟอร์โรพอร์ ตินที่เพิ่มขึ้น ในเซลล์ไตของตัวอ่อนมนุษย์ (HEK293) เกี่ยวข้องกับความเข้มข้นของ Mn ในเซลล์ที่ลดลงและความเป็นพิษต่อ เซลล์ที่ลดลง ซึ่งมีลักษณะเฉพาะคือการย้อนกลับของการดูด ซึมกลูตาเมตที่ลดลงจาก Mn และการรั่วไหล ของ แล็กเทตดีไฮโดรจีเนส ที่ลดลง [114]
การสัมผัสแมงกานีสในสหรัฐอเมริกาได้รับการควบคุมโดยสำนักงานความปลอดภัยและอาชีวอนามัย (OSHA) [115]ผู้คนสามารถสัมผัสแมงกานีสในสถานที่ทำงานได้โดยการหายใจเข้าไปหรือกลืนเข้าไป OSHA ได้กำหนดขีดจำกัดทางกฎหมาย ( ขีดจำกัดการสัมผัสที่อนุญาต ) สำหรับการสัมผัสแมงกานีสในสถานที่ทำงานไว้ที่ 5 มก. / ม. 3ในวันทำงาน 8 ชั่วโมงสถาบันแห่งชาติเพื่อความปลอดภัยและอาชีวอนามัย (NIOSH) ได้กำหนดขีดจำกัดการสัมผัสที่แนะนำ (REL) ไว้ที่ 1 มก. / ม. 3ในวันทำงาน 8 ชั่วโมง และขีดจำกัดในระยะสั้นที่ 3 มก. / ม. 3ที่ระดับ 500 มก. / ม. 3แมงกานีสจะเป็นอันตรายต่อชีวิตและสุขภาพทันที [ 116]
แมงกานีสมีความจำเป็นต่อสุขภาพของมนุษย์แม้ว่าจะมีปริมาณเป็นมิลลิกรัมก็ตาม
ความเข้มข้นสูงสุดที่ปลอดภัยในปัจจุบันภายใต้กฎของสำนักงานปกป้องสิ่งแวดล้อมแห่งสหรัฐอเมริกาคือ 50 μg Mn/L [117]
การได้รับแมงกานีสมากเกินไปมักสัมพันธ์กับภาวะแมงกานีสซึ่งเป็นความผิดปกติทางระบบประสาทที่พบได้น้อยซึ่งเกี่ยวข้องกับการกินหรือสูดดมแมงกานีสมากเกินไป ในอดีต บุคคลที่ทำงานในการผลิตหรือแปรรูปโลหะผสมแมงกานีส[118] [119]มีความเสี่ยงที่จะเกิดภาวะแมงกานีส อย่างไรก็ตาม กฎระเบียบด้านสุขภาพและความปลอดภัยจะคุ้มครองคนงานในประเทศที่พัฒนาแล้ว[115]ความผิดปกตินี้ได้รับการอธิบายครั้งแรกในปี พ.ศ. 2380 โดยจอห์น คูเปอร์ นักวิชาการชาวอังกฤษ ซึ่งศึกษาผู้ป่วย 2 รายที่เป็นช่างบดแมงกานีส[49]
ภาวะแมงกานีสเป็นความผิดปกติแบบสองขั้นตอน ในระยะเริ่มแรก ผู้ที่มึนเมาอาจมีอาการซึมเศร้า อารมณ์แปรปรวน พฤติกรรมบังคับ และโรคจิต อาการทางระบบประสาทในระยะเริ่มแรกจะกลายเป็นภาวะแมงกานีสในระยะท้าย ซึ่งคล้ายกับโรคพาร์กินสัน อาการได้แก่ อ่อนแรง พูดเสียงเรียบและช้า ใบหน้าไม่แสดงอารมณ์ ตัวสั่น เดินเอียงไปข้างหน้า เดินถอยหลังไม่ได้โดยไม่ล้ม เกร็ง และปัญหาทั่วไปเกี่ยวกับความคล่องตัว การเดิน และการทรงตัว[49] [120]ไม่เหมือนกับโรคพาร์กินสัน ภาวะแมงกานีสไม่เกี่ยวข้องกับการสูญเสียประสาทรับกลิ่น และโดยทั่วไปผู้ป่วยจะไม่ตอบสนองต่อการรักษาด้วยL-DOPA [ 121]อาการของภาวะแมงกานีสในระยะท้ายจะรุนแรงขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป แม้ว่าแหล่งที่มาของการสัมผัสจะถูกกำจัดและระดับแมงกานีสในสมองกลับมาเป็นปกติแล้วก็ตาม[120]
การได้รับแมงกานีสเป็นเวลานานอาจทำให้เกิดอาการป่วยคล้ายพาร์กินสันซึ่งมีอาการผิดปกติทางการเคลื่อนไหว[122]อาการนี้ไม่ตอบสนองต่อการบำบัดทั่วไปที่ใช้ในการรักษา PDซึ่งแนะนำทางเลือกอื่นนอกเหนือจากการ สูญเสีย โดปามีน ทั่วไป ภายในสารสีดำ [ 122]แมงกานีสอาจสะสมในปมประสาทฐานทำให้เกิดการเคลื่อนไหวผิดปกติ[123]การกลายพันธุ์ของยีน SLC30A10 ซึ่งเป็นตัวขนส่งแมงกานีสที่จำเป็นต่อการลด Mn ภายในเซลล์ มีความเชื่อมโยงกับการเกิดโรคคล้ายพาร์กินสันนี้[124] ไม่พบ Lewy bodiesที่เป็นลักษณะเฉพาะของ PD ในพาร์กินสันที่เกิดจาก Mn [123]
การทดลองกับสัตว์ทำให้มีโอกาสตรวจสอบผลที่ตามมาจากการได้รับแมงกานีสมากเกินไปภายใต้สภาวะที่ควบคุม ในหนู (ที่ไม่ก้าวร้าว) แมงกานีสกระตุ้นให้เกิดพฤติกรรมการฆ่าหนู[125]
อันตราย | |
---|---|
การติดฉลากGHS : | |
H401 | |
พี273 , พี501 [126] | |
NFPA 704 (ไฟร์ไดมอนด์) |
สารประกอบแมงกานีสมีพิษน้อยกว่าโลหะชนิดอื่นๆ เช่นนิกเกิลและทองแดง[127]อย่างไรก็ตาม การสัมผัสกับฝุ่นและไอแมงกานีสไม่ควรเกินค่าเพดาน 5 มก./ม. 3 แม้จะเป็นช่วงระยะ เวลาสั้นๆ เนื่องจากระดับความเป็นพิษ[128] พิษแมงกานีสมีความเชื่อมโยงกับทักษะการเคลื่อนไหวที่บกพร่องและความผิดปกติทางการรับรู้ [ 129]
โปรตีนที่เรียกว่าDMT1เป็นตัวขนส่งหลักในการดูดซึมแมงกานีสจากลำไส้ และอาจเป็นตัวขนส่งหลักของแมงกานีสผ่านอุปสรรคเลือด-สมอง DMT1 ยังขนส่งแมงกานีสที่สูดดมผ่านเยื่อบุโพรง จมูก กลไกที่เสนอสำหรับพิษของแมงกานีสคือ การทำงานผิดปกติทำให้เกิดความเครียดออกซิเดชันความผิด ปกติของ ไมโตคอนเดรีย ความเป็นพิษ ที่เกิดจากกลูตาเมตและการรวมตัวของโปรตีน[130]
และแมงกานีสและมีสีเข้มกว่าสีเหลืองแดงและสีน้ำตาลแดง นำมาใช้ทำเม็ดสีต่างๆ