Mangan

Mangan ist wenig bekannt obwohl wir indirekt oft mit ihm zu tun haben, sei es bei fast jedem Stahl oder bei jeder Trockenbatterie.
Mangan (das chemische Symbol Mn) ist ein silberweißes, hartes, sehr sprödes und mit der Dichte von 7,5 g/cm³ ein Schwermetall. Angeblich soll es nach der Stadt Magnesia benannt gewesen sein, wo ein schwarzes und bereits bekanntes Erz (Braunstein) gefunden wurde. Aus diesem Erz, das lange als Eisen-Erz gehalten wurde, wurde Mangan 1774 von dem Schweden J.G. Gahn durch Reduktion mit Holzkohlestaub erstmal hergestellt. Auch heute wird Mangan großtechnisch meist als Ferromangan (mit etwa 80% Mn) durch Reduktion eisenhaltiger Manganoxide mit Koks erzeugt. Reines Mangan kann aluminothermisch aus einem seiner Oxide hergestellt werden.
Als das 25. chemische Element ist Mangan ein Nachbar von Eisen und findet seine wichtigste heute Anwendung als Legierungselement in Stählen. In der Erdkruste beträgt sein Durchschnittsgehalt etwa 0,1%, damit steht es in der Häufigkeit an 10. Stelle, ist also kein seltenes Element und nach dem Eisen sogar das zweithäufigste Schwermetall. Mangan begleitet das Eisen in vielen seiner Erze, doch kommen auch reine Manganerz-Lagerstätte vor. Zu den gängigen Mangan-Mineralen gehören verschiedene Oxide und Hydroxide wie: Pyrolusit und Manganit beide mit etwa 60 % Mn sowie Hausmannit und Braunit. Zwei Mangan-Minerale Rhodochrosit (Mangan-Karbonat, Abb. 1a) und Rhodonit (Kalcium-Mangan-Sillikat) haben eine schöne rosa Farbe und sind geschätzte Schmucksteine. Wie attraktiv beispielsweise Schmuck aus Rhodochrosit ist, lässt sich anhand der Abb. 1b gut beweisen. Der Name „Braunstein“ ist ein Sammelbegriff für ein Manganerz mit mehreren Komponenten. Sehr oft sind schwarze Farben, oft auffällig in Form von Dendriten, in Gesteinen auf Manganverbindungen zurückzuführen. Die bereits berühmten Mangan-Knollen, die in der Tiefsee liegen, bestehen aus komplexem Mineral namens Todorokit. Über diese Knollen können Sie unter unserem Link … lesen. Sie sind möglicherweise eine der wichtigsten Metall-Ressourcen der Zukunft.

                                               Abb. 1 Rhodochrosit a) Mineral, b) Schmukcstücke
Mit seiner Schmelztemperatur von 1246 °C gehört Mangan zu den hochschmelzenden Metallen. Chemisch ist es wenig beständig. Zwar bildet Mangan an der Luft eine graue schützende Deckschicht, es wird jedoch bereits durch heißes Wasser merklich angegriffen und löst sich leicht in Säuren zu Mangan-Salzen.
Kristallographisch gesehen ist Mangan ungewöhnlich. Im Gegensatz zu den meisten anderen Metallen kristallisiert es bei Raumtemperatur nicht in einer der dichtesten Kugelpackungen sondern in einer verzerrten, kubischen Struktur mit 58 Atomen in der Elementarzelle. Bis zu einer Temperatur von 727 °C ist diese sogenannte α-Mangan-Struktur thermodynamisch stabil. Oberhalb von 727 °C bis 1095 °C existiert eine weitere ungewöhnliche ebenfalls kubische β-Mangan-Struktur mit 20 Formeleinheiten pro Elementarzelle. Erst oberhalb von 1095 °C kristallisiert das Metall in einer dichtesten Kugelpackung, der kubisch-flächenzentrierten Kristallstruktur (γ-Mn). Diese geht bei 1133 °C schließlich in eine kubisch-raumzentrierte Struktur (δ-Mn) über. Damit sind es insgesamt vier verschiedene kristalline Modifikationen von Mangan bekannt, die bei unterschiedlichen Temperaturen stabil sind. Bei Raumtemperatur ist das α-Mangan paramagnetisch.
Auch die Chemie von Mangan ist ungewöhnlich. Es sind Manganverbindungen in sieben Oxidationsstufen bekannt. Am stabilsten sind zwei-, drei- und vierwertige Manganverbindungen, die niedrigeren Stufen sind vor allem in Komplexen zu finden, die höheren in Verbindungen mit
Sauerstoff.
Reines Mangan wird nur in sehr geringem Umfang genutzt. Der größte Teil des geförderten Mangans in der Stahlproduktion eingesetzt. Fast jeder Stahl enthält eine geringe Menge (bis 1,6%) an Mangan, das dann als Begleitelement bezeichnet wird. Mangan bildet sehr stabile Verbindungen mit Sauerstoff und dadurch wirkt es desoxidierend ähnlich wie Aluminium und Silizium. Zudem verhindert es die Bildung des leicht schmelzenden Eisensulfides und wirkt dadurch entschwefelnd.
Auch als Legierungselement besitzt Mangan eine große Bedeutung für Stähle. Die Löslichkeit von Stickstoff im Stahl wird durch Mangan erhöht, was die Austenit-Bildung fördert. Dies ist für viele rostfreie Stähle wichtig. Eine weitere wichtige Eigenschaft von Mangan ist es, dass es durch die Absenkung der kritischen Abkühlgeschwindigkeit die Härtbarkeit der Stähle verbessert. In der Praxis lassen sich zwei Gruppen von Manganstählen unterscheiden: perlitische Stähle mit kleinen Mangangehalten bis ca. 4%, sowie austenitische Stähle mit hohen Mangangehalten.
Perlitische Manganstähle finden Anwendung als Einsatz- und Vergütungstähle oder auch als Werkzeugstähle für eine einfache Beanspruchung. Diese Stähle lassen sich gut härten und können hohe Festigkeiten erreichen. Viele Zahnräder werden aus einem manganhaltigen Einsatzstahl gefertigt (Abb. 2).

                            Abb. 2 Zahnräder aus Mn-Einsatzstahl        Abb. 3 Bagger mit Teilen aus Mangan-Hartstahl
Der wichtigste austenitische Manganstahl ist der sogenannte Mangan-Hartstahl mit etwa 1,3 % Kohlenstoff und 13 % Mn. Der Stahl hat nach dem Abschrecken ein austenitisches Gefüge. Der Stahl erreicht seine Arbeitshärte von ca. 600 HV durch starke Kaltverfestigung bei Belastung und deshalb ist er besonders gut für Verschleißbeanspruchung durch Schlag oder Druck geeignet. Die Anwendung findet Mangan-Hartstahl u. a. für Teile, die im Bereich der Hartzerkleinerung und Schüttgutförderung gebraucht werden. Ein Anwendungsbeispiel dafür sind Zähne sowie Ketten eines Baggers (Abb. 3), der beim Steinbruch eingesetzt wird.
Ein kleiner Teil von Mangan wird für Nichteisen-Legierungen verwendet. Dazu zählen beispielsweise Kupfer-Mangan-Legierungen für temperaturabhängige Widerstände sowie Aluminium-Mangan-Legierungen. Mangan erhöht dabei die Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Verformbarkeit. Die Legierung „Manganin“ (83 % Kupfer, 12 % Mangan und 5 % Nickel) besitzt, ähnlich wie Konstantan, einen niedrigen elektrischen Temperaturkoeffizienten, d. h. der elektrische Widerstand ist nur wenig von der Temperatur abhängig. Diese Materialien werden daher vielfach in elektrischen
Messgeräten verwendet.
Mangan wird auch als Aktivator in Leuchtstoffen eingesetzt. Je nach Oxidationsstufe liegt die Wellenlänge des emittierten Lichts in verschiedenen Farbbereichen.
Eine verbreitete Verwendung findet Mangan in Form des erwähnten Minerals Braunstein als Oxidationsmittel für Zink in Trockenbatterien. Mangan wird auch in oxidkermischen Werkstoffen - sogenannten Ferriten - verwendet, die u. a. in der elektronischen Datenverarbeitungstechnik gebraucht werden.
Zwei ganz besondere Legierungen enthalten Mangan. Eine davon ist Aluminium-Mangan-Legierung mit 14% Mn. Sie hat eine sehr ungewöhnliche kristalline Struktur, die als Quasikristall bezeichnet wird. Experimentell hat sie 1982 Daniel Schechtman entdeckt, dem dafür 2011 der Chemie-Nobelpreis zugesprochen wurde. Übrigens technisch werden nur Aluminium-Mangan-Legierungen mit bis zu 4% Mn genutzt, vor allem als Verpackungsmaterial. Die zweite Besonderheit ist eine Kupfer-Mangan-Aluminium Legierung (sogenannte Heuslersche Legierung) mit 26,5% Mn. Sie ist auch bei Raumtemperatur ferromagnetisch, obwohl sie keine ferromagnetischen Elemente enthält.
Zum Schluss sollen wir noch festhalten, dass Mangan ein essenzielles Spurenelement in allen lebenden Zellen ist.<<