Mangan là gì?

Mangan (Manganese) là một nguyên tố hóa học, có ký hiệu Mn và số hiệu nguyên tử 25. Đây là kim loại cứng, giòn, có màu bạc, thường được tìm thấy trong các khoáng vật kết hợp với sắt. Mangan được tách chiết lần đầu vào những năm 1770, là một kim loại chuyển tiếp có nhiều ứng dụng công nghiệp, đặc biệt trong các hợp kim thép không gỉ. Nguyên tố này giúp tăng độ bền, khả năng gia công và khả năng chống mài mòn của kim loại. Oxit mangan được sử dụng như chất oxy hóa, phụ gia cho cao su, cũng như trong sản xuất thủy tinh, phân bón và gốm sứ. Ngoài ra, mangan sunfat có thể được dùng làm thuốc diệt nấm.

Mangan cũng là nguyên tố thiết yếu đối với con người, đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển hóa các chất dinh dưỡng đa lượng, hình thành xương, và hệ thống bảo vệ chống gốc tự do. Nó là thành phần quan trọng của hàng chục loại protein và enzyme. Trong cơ thể, mangan tập trung chủ yếu ở xương, nhưng cũng có mặt trong gan, thận và não. Ở não người, mangan liên kết với các metalloprotein chứa mangan, đặc biệt là glutamine synthetase trong tế bào thần kinh hình sao.

Bảng thông tin nguyên tố Mangan (Mn)

Tính chất chung 

Mangan trong bảng tuần hoàn

Tính chất vật lý

Áp suất hơi

Tính chất nguyên tử

Thông tin khác

Lịch sử

Đồng vị của Mangan

Đặc điểm của Mangan

Tính chất vật lý

Mangan là kim loại màu xám bạc, có vẻ ngoài giống sắt. Nó cứng, rất giòn, khó nóng chảy nhưng dễ bị oxy hóa. Mangan và các ion phổ biến của nó đều có tính thuận từ. Kim loại này bị xỉn màu chậm khi để ngoài không khí và bị oxy hóa (rỉ sét) giống như sắt khi tiếp xúc với nước có chứa oxy hòa tan.

Đồng vị

Mangan tự nhiên chỉ có một đồng vị bền, là ⁵⁵Mn. Ngoài ra, nhiều đồng vị phóng xạ đã được phát hiện, dao động từ ⁴⁶Mn đến ⁷²Mn. Trong đó, ⁵³Mn có chu kỳ bán rã 3,7 triệu năm, ⁵⁴Mn có chu kỳ bán rã 312,08 ngày, và ⁵²Mn có chu kỳ bán rã 5,591 ngày.

Tất cả các đồng vị phóng xạ còn lại đều có chu kỳ bán rã dưới 3 giờ, phần lớn dưới 1 phút. Kiểu phân rã chủ yếu ở các đồng vị nhẹ hơn đồng vị bền ⁵⁵Mn là phân rã beta. Ngoài ra, mangan còn có ba trạng thái siêu bền.

Thù hình 

Mangan ở trạng thái rắn có bốn dạng thù hình (cấu trúc tinh thể khác nhau), được ký hiệu là α, β, γ và δ, hình thành ở các mức nhiệt độ tăng dần. Tất cả đều là kim loại, ổn định ở áp suất thường và có mạng tinh thể lập phương, tuy nhiên khác nhau đáng kể về cấu trúc nguyên tử.

• Alpha mangan (α-Mn): là dạng cân bằng ở nhiệt độ phòng, có mạng lập phương tâm khối (BCC). Đặc biệt ở chỗ có ô mạng cơ sở rất phức tạp, gồm 58 nguyên tử trong một ô, với 4 loại vị trí nguyên tử mangan khác nhau. Ở nhiệt độ phòng, α-Mn có tính thuận từ (paramagnetic), nhưng trở thành phản từ (antiferromagnetic) khi nhiệt độ xuống dưới 95 K (−178 °C).
• Beta mangan (β-Mn): hình thành khi đun nóng trên 973 K (700 °C). Có mạng lập phương đơn giản (primitive cubic) với 20 nguyên tử trong mỗi ô mạng, ở hai loại vị trí nguyên tử khác nhau – một trong những cấu trúc phức tạp nhất trong các kim loại nguyên tố.
  β-Mn có thể tồn tại ở nhiệt độ phòng ở trạng thái siêu bền (metastable) nếu làm nguội nhanh mangan ở 850 °C trong nước đá. Nó không có trật tự từ tính, và duy trì tính thuận từ đến nhiệt độ thấp nhất từng đo được (1,1 K).
• Gamma mangan (γ-Mn): hình thành khi đun nóng trên 1.370 K (1.100 °C), có mạng lập phương tâm diện (FCC) với 4 nguyên tử mỗi ô mạng. Khi làm nguội nhanh xuống nhiệt độ phòng, γ-Mn chuyển thành β-Mn, nhưng có thể ổn định ở nhiệt độ phòng bằng cách hợp kim hóa với ít nhất 5% các nguyên tố khác như C, Fe, Ni, Cu, Pd hoặc Au. Các hợp kim này biến dạng thành cấu trúc lập phương – tứ giác tâm diện (face-centered tetragonal).
• Delta mangan (δ-Mn): hình thành khi đun nóng trên 1.406 K (1.130 °C) và ổn định đến điểm nóng chảy của mangan là 1.519 K (1.250 °C). Dạng này có mạng lập phương tâm khối (BCC), gồm hai nguyên tử trong mỗi ô mạng

Hợp chất hóa học của Mangan

Mangan có nhiều trạng thái oxy hóa phổ biến: +2, +3, +4, +6 và +7, mặc dù tất cả các trạng thái từ −3 đến +7 đều đã được quan sát. Trạng thái +7 được thể hiện trong muối chứa ion permanganat MnO₄⁻, có màu tím đậm đặc trưng.

Kali pemanganat (KMnO₄) là thuốc thử phổ biến trong phòng thí nghiệm nhờ tính oxy hóa mạnh; nó còn được dùng như thuốc sát trùng ngoài da, ví dụ trong điều trị bệnh cho cá. Ngoài ra, dung dịch kali pemanganat là một trong những chất nhuộm và cố định mẫu đầu tiên được sử dụng trong chuẩn bị tế bào và mô sinh học cho kính hiển vi điện tử.

Phân bố trong tự nhiên

Mangan chiếm khoảng 1000 ppm (0,1%) trong lớp vỏ Trái Đất và là nguyên tố phong phú thứ 12. Đất chứa từ 7–9000 ppm mangan, với giá trị trung bình khoảng 440 ppm, không khí chứa khoảng 0,01 μg/m³. Mangan tồn tại chủ yếu dưới dạng pyrolusite (MnO₂), braunite (Mn²⁺Mn³⁺₆SiO₁₂), psilomelane (Ba,H₂O)₂Mn₅O₁₀ và ở mức độ thấp hơn là rhodochrosite (MnCO₃).

Môi trường đại dương

Đại dương là nguồn mangan phong phú dưới dạng các nốt mangan nằm dưới đáy biển. Những nốt này chứa khoảng 29% mangan. Tác động môi trường của việc thu gom các nốt mangan đang được quan tâm, theo ước tính năm 1978, đáy đại dương chứa khoảng 500 tỷ tấn nốt mangan. Đến tháng 4/2025, các nỗ lực tìm phương án khai thác nốt mangan hiệu quả về kinh tế vẫn đang tiếp tục, nhưng chưa có công nghệ nào được thương mại hóa.

Trong đất

Mangan tồn tại trong đất ở ba trạng thái oxy hóa: dạng cation hóa trị hai Mn²⁺ và dạng oxit/hydroxit màu nâu đen chứa mangan (III, IV) như MnOOH và MnO₂.
pH đất và điều kiện oxy hóa–khử quyết định dạng Mn chiếm ưu thế tại một vị trí:

• Ở pH < 6 hoặc trong điều kiện yếm khí: Mn(II) chiếm ưu thế.
• Trong điều kiện kiềm và giàu oxy: oxit/hydroxit Mn(III, IV) chiếm ưu thế.
  

Hoạt động vi sinh vật có thể điều chỉnh hai quá trình này — vi sinh có thể oxy hóa Mn²⁺ thành oxit hoặc khử oxit về dạng Mn²⁺.

Ứng dụng sản xuất công nghiệp

Thép

Mangan đóng vai trò thiết yếu trong sản xuất sắt và thép nhờ các tính chất khử lưu huỳnh, khử oxy và tạo hợp kim. Không có chất thay thế hiệu quả cho mangan trong luyện kim. Luyện thép (bao gồm sản xuất sắt) chiếm khoảng 85–90% tổng nhu cầu mangan hiện nay. Mangan cũng là thành phần quan trọng trong thép không gỉ giá rẻ. Ferromangan (khoảng 80% Mn) thường là hợp chất trung gian trong quy trình hiện đại.

Hợp kim nhôm

Mangan được dùng để sản xuất hợp kim với nhôm. Nhôm chứa khoảng 1,5% mangan có khả năng chống ăn mòn tốt hơn nhờ các hạt tinh thể hấp thụ tạp chất gây ăn mòn điện hóa. Các hợp kim nhôm chống ăn mòn 3004 và 3104 (0,8–1,5% Mn) được dùng cho phần lớn lon đồ uống. Trước năm 2000, hơn 1,6 triệu tấn hai hợp kim này đã được sử dụng; ở mức 1% Mn, lượng mangan tiêu thụ là 16.000 tấn.

Pin

Mangan dioxide (MnO₂) từng được dùng trong pin khô nguyên bản như chất nhận electron từ kẽm, chính là vật liệu màu đen trong pin carbon–zinc. Khi pin xả, MnO₂ bị khử thành MnO(OH), giúp ngăn hình thành khí hydro ở cực dương.

Điện trở

Hợp kim đồng–mangan như Manganin được sử dụng phổ biến trong điện trở shunt kim loại để đo dòng điện lớn. Chúng có hệ số nhiệt điện trở rất thấp và chống được lưu huỳnh, đặc biệt hữu ích trong môi trường công nghiệp và ô tô khắc nghiệt.

Phân bón và thức ăn chăn nuôi

Oxide và sulfate mangan là thành phần của phân bón. Năm 2000, riêng tại Hoa Kỳ đã sử dụng khoảng 20.000 tấn các hợp chất này trong phân bón, lượng tương đương cũng được dùng trong thức ăn chăn nuôi.

Ứng dụng đặc thù

Hợp chất methylcyclopentadienyl manganese tricarbonyl (MMT) được dùng làm phụ gia trong một số loại xăng không chì để tăng trị số octane và giảm hiện tượng kích nổ động cơ.

Ảnh hưởng sinh học của Mangan đối với sức khỏe

Sức khỏe và dinh dưỡng của con người

Mangan là một nguyên tố vi lượng thiết yếu trong chế độ ăn của con người và tham gia như một coenzyme trong nhiều quá trình sinh học, bao gồm: chuyển hóa các chất dinh dưỡng đa lượng, hình thành xương và hệ thống bảo vệ chống các gốc tự do.

Sự điều hòa

Viện Y học Hoa Kỳ (IOM) đã cập nhật Giá trị Trung bình Ước tính (EAR) và Khẩu phần Khuyến nghị (RDA) cho các khoáng chất vào năm 2001. Đối với mangan, không có đủ dữ liệu để thiết lập EAR và RDA, vì vậy nhu cầu được mô tả thông qua giá trị lượng ăn vào đầy đủ (AI).

AI hiện tại của Mn theo nhóm tuổi và giới tính

Trong nước

Mangan trong nước có khả năng hấp thu sinh học cao hơn mangan từ thực phẩm. Theo kết quả của một nghiên cứu năm 2010, mức phơi nhiễm mangan cao hơn trong nước uống có liên quan đến suy giảm trí tuệ và giảm chỉ số IQ ở trẻ em trong độ tuổi đi học.

Xăng

Hợp chất methylcyclopentadienyl manganese tricarbonyl (MMT) là một phụ gia được phát triển để thay thế các hợp chất chì trong xăng nhằm cải thiện chỉ số octan. Khi tiếp xúc với môi trường, nhiên liệu có chứa MMT sẽ phân hủy và giải phóng mangan vào nước và đất.

Không khí

Hít phải không khí chứa hơn 5 microgam mangan trên mỗi mét khối có thể gây ra các triệu chứng phơi nhiễm mangan. Trong các tế bào thận người nuôi cấy trong phòng thí nghiệm, mức protein ferroportin cao hơn có liên quan đến nồng độ mangan trong tế bào thấp hơn và tổn thương tế bào giảm, thể hiện qua khả năng hấp thụ glutamate tốt hơn và giảm rò rỉ lactate dehydrogenase – một dấu hiệu của tổn thương tế bào.

Sức khỏe và an toàn

Mangan là nguyên tố thiết yếu cho sức khỏe con người, nhưng chỉ cần ở mức miligam. Giới hạn nồng độ tối đa an toàn trong nước uống theo Quy định của EPA Hoa Kỳ là 50 μg Mn/L.

Manganism

Phơi nhiễm mangan quá mức thường gắn liền với manganism, một rối loạn thần kinh hiếm gặp do hấp thu hoặc hít phải mangan quá nhiều. Lịch sử ghi nhận bệnh thường xảy ra ở những người làm việc trong sản xuất hoặc chế biến hợp kim mangan.

Độc tính

Các hợp chất mangan độc tính thấp hơn so với các kim loại phổ biến khác như nickel và đồng. Tuy nhiên, phơi nhiễm bụi và khói mangan không được vượt quá giá trị trần 5 mg/m³, ngay cả trong thời gian ngắn, do mức độ độc hại của nó. Ngộ độc mangan được ghi nhận có liên quan đến suy giảm kỹ năng vận động và rối loạn nhận thức.

Bệnh thoái hóa thần kinh

Protein DMT1 là chất vận chuyển chính tham gia hấp thu mangan từ ruột và có thể cũng là chất vận chuyển chính đưa mangan vượt qua hàng rào máu–não. DMT1 cũng vận chuyển mangan dạng hít qua biểu mô mũi. Cơ chế gây độc được đề xuất của mangan là sự rối loạn điều hòa dẫn đến stress oxy hóa, rối loạn chức năng ty thể, kích độc thần kinh do glutamate, và kết tụ protein.