Manganeso

El manganeso es un elemento químico con el símbolo Mn y el número atómico 25. Es un metal plateado, duro y quebradizo, que a menudo se encuentra en minerales en combinación con el hierro. El manganeso es un metal de transición con una variedad multifacética de usos de aleaciones industriales, particularmente en aceros inoxidables. Mejora la fuerza, la trabajabilidad y la resistencia al desgaste. El óxido de manganeso se utiliza como agente oxidante; como aditivo de caucho; y en la fabricación de vidrio, fertilizantes y cerámica. El sulfato de manganeso se puede utilizar como fungicida.

El manganeso también es un elemento dietético humano esencial, importante en el metabolismo de los macronutrientes, la formación ósea y los sistemas de defensa de los radicales libres. Es un componente crítico en docenas de proteínas y enzimas. Se encuentra principalmente en los huesos, pero también en el hígado, los riñones y el cerebro. En el cerebro humano, el manganeso se une a las metaloproteínas de manganeso, sobre todo a la glutamina sintetasa en los astrocitos.

El manganeso se aisló por primera vez en 1774. Es familiar en el laboratorio en forma de permanganato de potasio de sal violeta oscuro. Ocurre en los sitios activos en algunas enzimas. De particular interés es el uso de un grupo de Mn-O, el complejo generador de oxígeno, en la producción de oxígeno por parte de las plantas.

Características

Propiedades físicas

El manganeso es un metal gris plateado que se parece al hierro. Es duro y muy quebradizo, difícil de fusionar, pero fácil de oxidar. El manganeso metálico y sus iones comunes son paramagnéticos. El manganeso se empaña lentamente en el aire y se oxida ("se oxida") como el hierro en agua que contiene oxígeno disuelto.

Isótopos

El manganeso natural se compone de un isótopo estable, Mn. Se han aislado y descrito varios radioisótopos, cuyo peso atómico oscila entre 44 u (Mn) y 69 u (Mn). Los más estables son Mn con una vida media de 3,7 millones de años, Mn con una vida media de 312,2 días y Mn con una vida media de 5,591 días. Todos los isótopos radiactivos restantes tienen vidas medias de menos de tres horas y la mayoría de menos de un minuto. El modo principal de desintegración en los isótopos más ligeros que el isótopo estable más abundante, Mn, es la captura de electrones y el modo principal en los isótopos más pesados ​​es la desintegración beta. El manganeso también tiene tres estados meta.

El manganeso forma parte del grupo de elementos del hierro, que se cree que se sintetizan en estrellas grandes poco antes de la explosión de la supernova. Mn decae a Cr con una vida media de 3,7 millones de años. Debido a su vida media relativamente corta, el manganeso es relativamente raro y se produce por el impacto de los rayos cósmicos en el hierro. Los contenidos isotópicos de manganeso se combinan típicamente con contenidos isotópicos de cromo y han encontrado aplicación en geología isotópica y datación radiométrica. Las proporciones isotópicas Mn-Cr refuerzan la evidencia de Al y Pd para la historia temprana del Sistema Solar. Las variaciones en las relaciones Cr/ Cr y Mn/Cr de varios meteoritos sugieren una relación Mn/ Mn inicial, lo que indica que la composición isotópica Mn-Cr debe resultar de la descomposición in situ deMn en cuerpos planetarios diferenciados. Por lo tanto, Mn proporciona evidencia adicional de procesos nucleosintéticos inmediatamente antes de la coalescencia del Sistema Solar.

Estados de oxidación

Los estados de oxidación más comunes del manganeso son +2, +3, +4, +6 y +7, aunque se han observado todos los estados de oxidación desde -3 hasta +7. Mn a menudo compite con Mg en sistemas biológicos, y el ion también es muy similar en sus propiedades a Ca y Zn. Los compuestos de manganeso donde el manganeso está en estado de oxidación +7, que en su mayoría están restringidos al óxido inestable Mn ₂ O ₇, compuestos del anión permanganato de color púrpura intenso MnO ₄ y algunos oxihaluros (MnO ₃ F y MnO ₃ Cl), son potentes agentes oxidantes. Los compuestos con estados de oxidación +5 (azul) y +6 (verde) son agentes oxidantes fuertes y son vulnerables a la desproporción.

El estado de oxidación más estable para el manganeso es +2, que tiene un color rosa pálido, y se conocen muchos compuestos de manganeso (II), como el sulfato de manganeso (II) (MnSO ₄) y el cloruro de manganeso (II) (MnCl ₂). Este estado de oxidación también se observa en el mineral rodocrosita (carbonato de manganeso (II)). El manganeso (II) existe más comúnmente con un espín alto, S = 5/2 estado fundamental debido a la alta energía de emparejamiento del manganeso (II). Sin embargo, hay algunos ejemplos de bajo espín, S = 1/2 manganeso (II). No hay transiciones d-d permitidas por espín en el manganeso (II), lo que explica por qué los compuestos de manganeso (II) son típicamente pálidos a incoloros.

Estados de oxidación del manganeso
0	Minnesota2(CO)10
+1	MNC5H4CH3(CO)3
+2	MnCl2, MnCO3, MnO
+3	MnF3, manganeso (OAc)3, hombre2O3
+4	MnO2
+5	k3MnO4
+6	k2MnO4
+7	KMnO4, hombre2O7
Los estados de oxidación comunes están en negrita.

El estado de oxidación +3 se conoce en compuestos como el acetato de manganeso (III), pero estos son agentes oxidantes bastante potentes y también propensos a la desproporción en solución, formando manganeso (II) y manganeso (IV). Los compuestos sólidos de manganeso (III) se caracterizan por su fuerte color rojo púrpura y una preferencia por la coordinación octaédrica distorsionada que resulta del efecto Jahn-Teller.

El estado de oxidación +5 se puede producir disolviendo dióxido de manganeso en nitrito de sodio fundido. Las sales de manganato (VI) se pueden producir disolviendo compuestos de Mn, como el dióxido de manganeso, en álcali fundido mientras se exponen al aire.

Los compuestos de permanganato (+7 estado de oxidación) son de color púrpura y pueden dar al vidrio un color violeta. El permanganato de potasio, el permanganato de sodio y el permanganato de bario son oxidantes potentes. El permanganato de potasio, también llamado cristales de Condy, es un reactivo de laboratorio de uso común debido a sus propiedades oxidantes; se utiliza como medicamento tópico (por ejemplo, en el tratamiento de enfermedades de los peces). Las soluciones de permanganato de potasio estuvieron entre los primeros colorantes y fijadores que se utilizaron en la preparación de células y tejidos biológicos para microscopía electrónica.

El raro estado de oxidación +1 existe en algunos compuestos de organomanganeso como el compuesto MnC ₅ H ₄ CH ₃ (CO) ₃ citado en la tabla anterior.

Historia

El origen del nombre manganeso es complejo. En la antigüedad, se identificaron dos minerales negros de las regiones de Magnetes (Magnesia, ubicada dentro de la Grecia moderna, o Magnesia ad Sipylum, ubicada dentro de la Turquía moderna). Ambos eran llamados magnes por su lugar de origen, pero se consideraba que diferían en el sexo. Los imanes masculinos atrajeron el hierro, y fue el mineral de hierro que ahora se conoce como magnetita o magnetita, y que probablemente nos dio el término imán. El mineral de magnesio femenino no atraía el hierro, pero se usaba para decolorar el vidrio. Este magnes femenino más tarde se llamó magnesia, conocido ahora en los tiempos modernos como pirolusita o dióxido de manganeso.Ni este mineral ni el manganeso elemental son magnéticos. En el siglo XVI, los vidrieros llamaban manganeso al dióxido de manganeso (tenga en cuenta las dos N en lugar de una), posiblemente como una corrupción y concatenación de dos palabras, ya que los alquimistas y los vidrieros finalmente tuvieron que diferenciar una magnesia nigra (el mineral negro) de magnesia alba (un mineral blanco, también de Magnesia, también útil en la fabricación de vidrio). Michele Mercati llamó magnesia nigra manganesa, y finalmente el metal aislado de ella se conoció como manganeso (alemán: Mangan). El nombre magnesioeventualmente se usó para referirse solo a la magnesia alba blanca (óxido de magnesio), que proporcionó el nombre de magnesio para el elemento libre cuando se aisló mucho más tarde.

Varios óxidos coloridos de manganeso, por ejemplo el dióxido de manganeso, son abundantes en la naturaleza y se han utilizado como pigmentos desde la Edad de Piedra. Las pinturas rupestres de Gargas que tienen entre 30.000 y 24.000 años contienen pigmentos de manganeso.

Los vidrieros egipcios y romanos usaban compuestos de manganeso, ya sea para agregar o eliminar el color del vidrio. El uso como "jabón para vidrieros" continuó durante la Edad Media hasta los tiempos modernos y es evidente en el vidrio del siglo XIV de Venecia.

Debido a que se usaba en la fabricación de vidrio, el dióxido de manganeso estaba disponible para los experimentos de los alquimistas, los primeros químicos. Ignatius Gottfried Kaim (1770) y Johann Glauber (siglo XVII) descubrieron que el dióxido de manganeso podía convertirse en permanganato, un útil reactivo de laboratorio. A mediados del siglo XVIII, el químico sueco Carl Wilhelm Scheele utilizó dióxido de manganeso para producir cloro. Primero se hizo reaccionar ácido clorhídrico, o una mezcla de ácido sulfúrico diluido y cloruro de sodio, con dióxido de manganeso, y posteriormente se utilizó ácido clorhídrico del proceso Leblanc y el dióxido de manganeso se recicló por el proceso Weldon. La producción de agentes blanqueadores de cloro e hipoclorito era un gran consumidor de minerales de manganeso.

A mediados del siglo XVIII, Carl Wilhelm Scheele usó pirolusita para producir cloro. Scheele y otros sabían que la pirolusita (ahora conocida como dióxido de manganeso) contenía un nuevo elemento. Johan Gottlieb Gahn fue el primero en aislar una muestra impura de manganeso metálico en 1774, lo que hizo reduciendo el dióxido con carbono.

El contenido de manganeso de algunos minerales de hierro utilizados en Grecia dio lugar a especulaciones de que el acero producido a partir de ese mineral contiene manganeso adicional, lo que hace que el acero espartano sea excepcionalmente duro. A principios del siglo XIX, el manganeso se utilizó en la fabricación de acero y se concedieron varias patentes. En 1816 se documentó que el hierro aleado con manganeso era más duro pero no más quebradizo. En 1837, el académico británico James Couper notó una asociación entre la fuerte exposición de los mineros al manganeso y una forma de la enfermedad de Parkinson. En 1912, se otorgaron patentes en los Estados Unidos para proteger las armas de fuego contra la oxidación y la corrosión con recubrimientos de conversión electroquímica de fosfato de manganeso, y el proceso ha tenido un uso generalizado desde entonces.

La invención de la celda de Leclanché en 1866 y la posterior mejora de las baterías que contenían dióxido de manganeso como despolarizador catódico aumentaron la demanda de dióxido de manganeso. Hasta el desarrollo de las baterías con níquel-cadmio y litio, la mayoría de las baterías contenían manganeso. La batería de zinc-carbono y la batería alcalina normalmente usan dióxido de manganeso producido industrialmente porque el dióxido de manganeso natural contiene impurezas. En el siglo XX, el dióxido de manganeso se usó ampliamente como catódico para baterías secas desechables comerciales tanto del tipo estándar (zinc-carbón) como alcalino.

Ocurrencia

El manganeso comprende alrededor de 1000 ppm (0,1%) de la corteza terrestre, el duodécimo más abundante de los elementos de la corteza. El suelo contiene de 7 a 9000 ppm de manganeso con un promedio de 440 ppm. La atmósfera contiene 0,01 μg/m. El manganeso se presenta principalmente como pirolusita (MnO ₂), braunita, (Mn Mn ₆)(SiO ₁₂), psilomelano (Ba,H ₂ O) ₂ Mn ₅ O ₁₀ y, en menor medida, como rodocrosita (MnCO ₃).

Mineral de manganeso	Psilomelano (mineral de manganeso)	Spiegeleisen es una aleación de hierro con un contenido de manganeso de aproximadamente 15%	Dendritas de óxido de manganeso en piedra caliza de Solnhofen, Alemania: una especie de pseudofósil. La escala está en mm	Mineral rodocrosita (carbonato de manganeso (II))

El mineral de manganeso más importante es la pirolusita (MnO ₂). Otros minerales de manganeso económicamente importantes suelen mostrar una estrecha relación espacial con los minerales de hierro, como la esfalerita. Los recursos basados ​​en la tierra son grandes pero irregularmente distribuidos. Alrededor del 80% de los recursos mundiales conocidos de manganeso se encuentran en Sudáfrica; otros depósitos importantes de manganeso se encuentran en Ucrania, Australia, India, China, Gabón y Brasil. Según una estimación de 1978, el fondo del océano tiene 500 mil millones de toneladas de nódulos de manganeso. Los intentos de encontrar métodos económicamente viables para recolectar nódulos de manganeso se abandonaron en la década de 1970.

En Sudáfrica, la mayoría de los depósitos identificados están ubicados cerca de Hotazel ​​en la Provincia Septentrional del Cabo, con una estimación de 2011 de 15 mil millones de toneladas. En 2011, Sudáfrica produjo 3,4 millones de toneladas, superando a todas las demás naciones.

El manganeso se extrae principalmente en Sudáfrica, Australia, China, Gabón, Brasil, India, Kazajistán, Ghana, Ucrania y Malasia.

Producción

Para la producción de ferromanganeso, el mineral de manganeso se mezcla con mineral de hierro y carbón, y luego se reduce en un alto horno o en un horno de arco eléctrico. El ferromanganeso resultante tiene un contenido de manganeso de 30 a 80%. El manganeso puro utilizado para la producción de aleaciones libres de hierro se produce mediante la lixiviación del mineral de manganeso con ácido sulfúrico y un proceso de electroobtención posterior.

Un proceso de extracción más progresivo consiste en reducir directamente (una ley baja) el mineral de manganeso en una lixiviación en pilas. Esto se hace filtrando gas natural a través del fondo de la pila; el gas natural proporciona el calor (debe estar al menos a 850 °C) y el agente reductor (monóxido de carbono). Esto reduce todo el mineral de manganeso a óxido de manganeso (MnO), que es una forma lixiviable. Luego, el mineral viaja a través de un circuito de molienda para reducir el tamaño de partícula del mineral a entre 150 y 250 μm, lo que aumenta el área superficial para ayudar a la lixiviación. Luego, el mineral se agrega a un tanque de lixiviación de ácido sulfúrico y hierro ferroso (Fe) en una proporción de 1,6:1. El hierro reacciona con el dióxido de manganeso (MnO ₂) para formar hidróxido de hierro (FeO(OH)) y manganeso elemental (Mn):

Este proceso produce una recuperación de aproximadamente el 92% del manganeso. Para una mayor purificación, el manganeso se puede enviar a una instalación de electroobtención.

En 1972, el Proyecto Azorian de la CIA, a través del multimillonario Howard Hughes, encargó el barco Hughes Glomar Explorer con la historia de portada de la recolección de nódulos de manganeso del fondo del mar. Eso provocó una oleada de actividad para recolectar nódulos de manganeso, lo que en realidad no era práctico. La verdadera misión de Hughes Glomar Explorer era levantar un submarino soviético hundido, el K-129, con el objetivo de recuperar los libros de códigos soviéticos.

Un recurso abundante de manganeso en forma de nódulos de Mn que se encuentran en el fondo del océano. Estos nódulos, que están compuestos por un 29 % de manganeso, se encuentran a lo largo del fondo del océano y se está investigando el impacto potencial de la extracción de estos nódulos. Pueden ocurrir impactos ambientales físicos, químicos y biológicos debido a que la minería de nódulos perturba el lecho marino y provoca la formación de penachos de sedimentos. Esta suspensión incluye metales y nutrientes inorgánicos, que pueden provocar la contaminación de las aguas cercanas al fondo con compuestos tóxicos disueltos. Los nódulos de Mn también son áreas de pastoreo, espacio vital y protección para los sistemas de endofauna y epifauna. Cuando se eliminan estos nódulos, estos sistemas se ven directamente afectados. En general, esto puede hacer que las especies abandonen el área o mueran por completo.Antes del comienzo de la minería en sí, los organismos afiliados a las Naciones Unidas y las empresas patrocinadas por el estado están realizando investigaciones en un intento de comprender completamente los impactos ambientales con la esperanza de mitigar estos impactos.

Ambiente oceánico

Muchos elementos traza en el océano provienen de partículas hidrotermales ricas en metales de los respiraderos hidrotermales. El manganeso disuelto (dMn) se encuentra en todos los océanos del mundo, el 90% del cual se origina en fuentes hidrotermales. El Mn particulado se desarrolla en penachos flotantes sobre una fuente de ventilación activa, mientras que el dMn se comporta de forma conservadora.Las concentraciones de manganeso varían entre las columnas de agua del océano. En la superficie, el dMn es elevado debido a la entrada de fuentes externas como ríos, polvo y sedimentos de la plataforma. Los sedimentos costeros normalmente tienen concentraciones más bajas de manganeso, pero pueden aumentar debido a las descargas antropogénicas de industrias como la minería y la fabricación de acero, que ingresan al océano desde los aportes de los ríos. Las concentraciones de dMn en la superficie también pueden elevarse biológicamente a través de la fotosíntesis y físicamente a partir del afloramiento costero y las corrientes superficiales impulsadas por el viento. Los ciclos internos, como la fotorreducción de la radiación UV, también pueden elevar los niveles al acelerar la disolución de los óxidos de manganeso y la eliminación oxidativa, evitando que el manganeso se hunda en aguas más profundas.Los niveles elevados a profundidades medias pueden ocurrir cerca de las dorsales oceánicas y los respiraderos hidrotermales. Los respiraderos hidrotermales liberan fluido enriquecido en dMn al agua. El dMn puede viajar hasta 4000 km debido a las cápsulas microbianas presentes, lo que evita el intercambio con partículas y reduce las tasas de hundimiento. Las concentraciones de manganeso disuelto son aún mayores cuando los niveles de oxígeno son bajos. En general, las concentraciones de dMn normalmente son más altas en las regiones costeras y disminuyen cuando se desplazan mar adentro.

Suelos

El manganeso se encuentra en los suelos en tres estados de oxidación: el catión divalente, Mn y como óxidos e hidróxidos de color negro parduzco que contienen Mn (III, IV), como MnOOH y MnO ₂. El pH del suelo y las condiciones de oxidación-reducción afectan cuál de estas tres formas de Mn es dominante en un suelo determinado. A valores de pH inferiores a 6 o en condiciones anaeróbicas, domina el Mn(II), mientras que en condiciones más alcalinas y aeróbicas predominan los óxidos e hidróxidos de Mn(III,IV). Estos efectos de la acidez del suelo y el estado de aireación en la forma de Mn pueden ser modificados o controlados por la actividad microbiana. La respiración microbiana puede causar tanto la oxidación de Mn a los óxidos como la reducción de los óxidos al catión divalente.

Los óxidos de Mn(III,IV) existen como manchas de color negro parduzco y pequeños nódulos en las partículas de arena, limo y arcilla. Estos recubrimientos superficiales sobre otras partículas de suelo tienen un área superficial alta y llevan carga negativa. Los sitios cargados pueden adsorber y retener varios cationes, especialmente metales pesados ​​(p. ej., Cr, Cu, Zn y Pb). Además, los óxidos pueden adsorber ácidos orgánicos y otros compuestos. La adsorción de los metales y los compuestos orgánicos puede hacer que se oxiden mientras que los óxidos de Mn(III,IV) se reducen a Mn (p. ej., Cr a Cr(VI) y la hidroquinona incolora a polímeros de quinona de color té).

Aplicaciones

El manganeso no tiene sustituto satisfactorio en sus principales aplicaciones en la metalurgia. En aplicaciones menores (p. ej., fosfatado de manganeso), el zinc y, a veces, el vanadio son sustitutos viables.

Acero

El manganeso es esencial para la producción de hierro y acero en virtud de sus propiedades de fijación, desoxidación y aleación de azufre, como lo reconoció por primera vez el metalúrgico británico Robert Forester Mushet (1811–1891), quien, en 1856, introdujo el elemento en forma de Spiegeleisen, en acero con el propósito específico de eliminar el exceso de oxígeno disuelto, azufre y fósforo para mejorar su maleabilidad. La fabricación de acero, incluido su componente de fabricación de hierro, ha representado la mayor parte de la demanda de manganeso, actualmente en el rango de 85% a 90% de la demanda total. El manganeso es un componente clave del acero inoxidable de bajo costo. A menudo, el ferromanganeso (generalmente alrededor del 80% de manganeso) es el intermedio en los procesos modernos.

Pequeñas cantidades de manganeso mejoran la trabajabilidad del acero a altas temperaturas al formar un sulfuro de alto punto de fusión y evitar la formación de un sulfuro de hierro líquido en los límites de grano. Si el contenido de manganeso alcanza el 4%, la fragilización del acero se convierte en una característica dominante. La fragilización disminuye a concentraciones más altas de manganeso y alcanza un nivel aceptable al 8%. El acero que contiene del 8 al 15 % de manganeso tiene una alta resistencia a la tracción de hasta 863 MPa. El acero con un 12 % de manganeso fue descubierto en 1882 por Robert Hadfield y todavía se conoce como acero Hadfield (mangaloy). Fue utilizado para cascos de acero militares británicos y más tarde por el ejército estadounidense.

Aleaciones de aluminio

La segunda aplicación más grande para el manganeso es en aleaciones de aluminio. El aluminio con aproximadamente un 1,5 % de manganeso tiene una mayor resistencia a la corrosión a través de granos que absorben las impurezas que conducirían a la corrosión galvánica. Las aleaciones de aluminio resistentes a la corrosión 3004 y 3104 (0,8 a 1,5 % de manganeso) se utilizan para la mayoría de las latas de bebidas. Antes de 2000, se utilizaron más de 1,6 millones de toneladas de esas aleaciones; al 1% de manganeso, esto consumió 16.000 toneladas de manganeso.

Otros usos

El tricarbonilo de metilciclopentadienil manganeso se usa como aditivo en la gasolina sin plomo para aumentar el octanaje y reducir la detonación del motor. El manganeso en este compuesto organometálico inusual está en el estado de oxidación +1.

El óxido de manganeso (IV) (dióxido de manganeso, MnO ₂) se utiliza como reactivo en química orgánica para la oxidación de alcoholes bencílicos (donde el grupo hidroxilo está adyacente a un anillo aromático). El dióxido de manganeso se ha utilizado desde la antigüedad para oxidar y neutralizar el tinte verdoso en el vidrio de pequeñas cantidades de contaminación con hierro. El MnO ₂ también se utiliza en la fabricación de oxígeno y cloro y en el secado de pinturas negras. En algunas preparaciones, es un pigmento marrón para pintura y es un constituyente de la sombra natural.

El manganeso tetravalente se utiliza como activador en fósforos de emisión roja. Si bien se conocen muchos compuestos que muestran luminiscencia, la mayoría no se usa en aplicaciones comerciales debido a su baja eficiencia o emisión de color rojo intenso. Sin embargo, varios fluoruros activados con manganeso se informaron como posibles fósforos emisores de rojo para los LED de color blanco cálido. Pero hasta el día de hoy, solo K ₂ SiF ₆:Mn está disponible comercialmente para su uso en LED de color blanco cálido.

Baterías

El óxido de manganeso (IV) se usó en el tipo original de batería de celda seca como aceptor de electrones del zinc, y es el material negruzco en las celdas de linterna de tipo carbono-zinc. El dióxido de manganeso se reduce al óxido-hidróxido de manganeso MnO(OH) durante la descarga, evitando la formación de hidrógeno en el ánodo de la batería.MnO2 + H2O _{+ e} → MnO(OH) + OH

El mismo material también funciona en las baterías alcalinas más nuevas (generalmente celdas de batería), que usan la misma reacción básica, pero una mezcla de electrolitos diferente. En 2002 se utilizaron para este fin más de 230.000 toneladas de dióxido de manganeso.

Resistencias

Las aleaciones de cobre de manganeso, como la manganina, se encuentran comúnmente en las resistencias de derivación de elementos metálicos que se utilizan para medir cantidades relativamente grandes de corriente. Estas aleaciones tienen un coeficiente de resistencia a la temperatura muy bajo y son resistentes al azufre. Esto hace que las aleaciones sean particularmente útiles en entornos industriales y automotrices hostiles.

Acuñación

El metal se usa ocasionalmente en monedas; hasta el año 2000, la única moneda de los Estados Unidos que usó manganeso fue el níquel "de guerra" de 1942 a 1945. Tradicionalmente se usaba una aleación de 75% de cobre y 25% de níquel para la producción de monedas de níquel. Sin embargo, debido a la escasez de níquel metálico durante la guerra, se sustituyó por plata y manganeso más disponibles, lo que dio como resultado una aleación de 56 % de cobre, 35 % de plata y 9 % de manganeso. Desde el año 2000, las monedas de dólar, por ejemplo el dólar Sacagawea y las monedas presidenciales de $1, están hechas de latón que contiene un 7% de manganeso con un núcleo de cobre puro.En ambos casos de níquel y dólar, el uso de manganeso en la moneda fue para duplicar las propiedades electromagnéticas de una moneda anterior de tamaño y valor idénticos en los mecanismos de las máquinas expendedoras. En el caso de las últimas monedas de dólar estadounidense, la aleación de manganeso pretendía duplicar las propiedades de la aleación de cobre/níquel utilizada en el anterior dólar Susan B. Anthony.

Colorante cerámico

Los compuestos de manganeso se han utilizado como pigmentos y para colorear cerámica y vidrio. El color marrón de la cerámica es a veces el resultado de compuestos de manganeso. En la industria del vidrio, los compuestos de manganeso se utilizan para dos efectos. El manganeso (III) reacciona con el hierro (II) para reducir el color verde intenso del vidrio formando hierro (III) menos coloreado y manganeso (II) ligeramente rosado, lo que compensa el color residual del hierro (III). Se utilizan cantidades mayores de manganeso para producir vidrio de color rosa. En 2009, el profesor Mas Subramanian y sus asociados en la Universidad Estatal de Oregón descubrieron que el manganeso se puede combinar con itrio e indio para formar un pigmento azul intenso, no tóxico, inerte y resistente a la decoloración, el azul YInMn, el primer pigmento azul nuevo descubierto en 200 años.

Rol biológico

Bioquímica

Las clases de enzimas que tienen cofactores de manganeso incluyen oxidorreductasas, transferasas, hidrolasas, liasas, isomerasas y ligasas. Otras enzimas que contienen manganeso son la arginasa y la superóxido dismutasa que contiene manganeso (Mn-SOD). Además, la clase de enzimas de las transcriptasas inversas de muchos retrovirus (aunque no de lentivirus como el VIH) contiene manganeso. Los polipéptidos que contienen manganeso son la toxina diftérica, las lectinas y las integrinas.

Papel biológico en los humanos.

El manganeso es un elemento dietético humano esencial. Está presente como coenzima en varios procesos biológicos, que incluyen el metabolismo de macronutrientes, la formación de huesos y los sistemas de defensa de radicales libres. Es un componente crítico en docenas de proteínas y enzimas. El cuerpo humano contiene alrededor de 12 mg de manganeso, principalmente en los huesos. El resto de tejido blando se concentra en el hígado y los riñones. En el cerebro humano, el manganeso se une a las metaloproteínas de manganeso, sobre todo a la glutamina sintetasa en los astrocitos.

Nutrición

Recomendaciones dietéticas

machos	Hembras
Años	IA (mg/día)	Años	IA (mg/día)
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
embarazada: 2
lactantes: 2,6

El Instituto de Medicina de EE. UU. (IOM, por sus siglas en inglés) actualizó los Requerimientos Promedio Estimados (EAR, por sus siglas en inglés) y las Ingestas Dietéticas Recomendadas (RDA, por sus siglas en inglés) para minerales en 2001. Para el manganeso, no hubo información suficiente para establecer EAR y RDA, por lo que las necesidades se describen como estimaciones de Ingestas Adecuadas (IA). En cuanto a la seguridad, el IOM establece niveles máximos de ingesta tolerable (UL) para vitaminas y minerales cuando la evidencia es suficiente. En el caso del manganeso, la UL para adultos se establece en 11 mg/día. En conjunto, las EAR, RDA, AI y UL se denominan ingestas dietéticas de referencia (DRI). La deficiencia de manganeso es rara.

La Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria (EFSA) se refiere al conjunto colectivo de información como Valores dietéticos de referencia, con Ingesta de referencia de la población (PRI) en lugar de RDA, y Requerimiento promedio en lugar de EAR. AI y UL definieron lo mismo que en Estados Unidos. Para personas mayores de 15 años, la IA se establece en 3,0 mg/día. La IA para el embarazo y la lactancia es de 3,0 mg/día. Para niños de 1 a 14 años, los IA aumentan con la edad de 0,5 a 2,0 mg/día. Los AI para adultos son más altos que las RDA de EE. UU. La EFSA revisó la misma pregunta de seguridad y decidió que no había información suficiente para establecer un UL.

Para fines de etiquetado de alimentos y suplementos dietéticos de EE. UU., la cantidad en una porción se expresa como un porcentaje del valor diario (% DV). Para fines de etiquetado de manganeso, el 100 % del valor diario era 2,0 mg, pero a partir del 27 de mayo de 2016 se revisó a 2,3 mg para que coincidiera con la RDA. Se proporciona una tabla de los valores diarios para adultos antiguos y nuevos en la Ingesta diaria de referencia.

Toxicidad

La exposición o ingesta excesiva puede conducir a una condición conocida como manganismo, un trastorno neurodegenerativo que causa muerte neuronal dopaminérgica y síntomas similares a la enfermedad de Parkinson.

Deficiencia

La deficiencia de manganeso en humanos da como resultado una serie de problemas médicos. Muchos productos comunes de suplementos de vitaminas y minerales no incluyen manganeso en sus composiciones. La ingesta dietética relativamente alta de otros minerales como el hierro, el magnesio y el calcio puede inhibir la ingesta adecuada de manganeso. Una deficiencia de manganeso causa deformación esquelética en animales e inhibe la producción de colágeno en la cicatrización de heridas.

Toxicidad en la vida marina

Muchos sistemas enzimáticos necesitan Mn para funcionar, pero en niveles altos, el Mn puede volverse tóxico. Una razón ambiental por la que los niveles de manganeso pueden aumentar en el agua de mar es cuando ocurren períodos hipóxicos.Desde 1990 ha habido informes de acumulación de Mn en organismos marinos, incluidos peces, crustáceos, moluscos y equinodermos. Los tejidos específicos son objetivos en diferentes especies, incluidas las branquias, el cerebro, la sangre, los riñones y el hígado/hepatopáncreas. Se han informado efectos fisiológicos en estas especies. El manganeso puede afectar la renovación de los inmunocitos y su funcionalidad, como la fagocitosis y la activación de la profenoloxidasa, suprimiendo el sistema inmunológico de los organismos. Esto hace que los organismos sean más susceptibles a las infecciones. A medida que se produce el cambio climático, aumenta la distribución de patógenos y, para que los organismos sobrevivan y se defiendan de estos patógenos, necesitan un sistema inmunológico sano y fuerte. Si sus sistemas se ven comprometidos por los altos niveles de manganeso, no podrán combatir estos patógenos y morir.

Papel biológico en las bacterias.

Mn-SOD es el tipo de SOD presente en las mitocondrias eucariotas, y también en la mayoría de las bacterias (este hecho está de acuerdo con la teoría del origen bacteriano de las mitocondrias). La enzima Mn-SOD es probablemente una de las más antiguas, ya que casi todos los organismos que viven en presencia de oxígeno la usan para lidiar con los efectos tóxicos del superóxido (O₂), formado a partir de la reducción de 1 electrón de dioxígeno. Las excepciones, que son todas bacterias, incluyen a Lactobacillus plantarum y lactobacilos relacionados, que usan un mecanismo no enzimático diferente con iones de manganeso (Mn) complejados con polifosfato, lo que sugiere un camino de evolución para esta función en la vida aeróbica.

Papel biológico en las plantas.

El manganeso también es importante en la evolución del oxígeno fotosintético en los cloroplastos de las plantas. El complejo generador de oxígeno (OEC) es una parte del fotosistema II contenido en las membranas tilacoides de los cloroplastos; es responsable de la fotooxidación terminal del agua durante las reacciones luminosas de la fotosíntesis y tiene un núcleo de metaloenzima que contiene cuatro átomos de manganeso. Para cumplir con este requisito, la mayoría de los fertilizantes para plantas de amplio espectro contienen manganeso.

Precauciones

Los compuestos de manganeso son menos tóxicos que los de otros metales muy extendidos, como el níquel y el cobre. Sin embargo, la exposición a polvos y vapores de manganeso no debe exceder el valor máximo de 5 mg/m3, incluso durante períodos breves, debido a su nivel de toxicidad. El envenenamiento por manganeso se ha relacionado con habilidades motoras deterioradas y trastornos cognitivos.

El permanganato exhibe una toxicidad más alta que los compuestos de manganeso (II). La dosis letal es de unos 10 g y se han producido varias intoxicaciones mortales. El fuerte efecto oxidante conduce a la necrosis de la membrana mucosa. Por ejemplo, el esófago se ve afectado si se traga el permanganato. Solo una cantidad limitada es absorbida por los intestinos, pero esta pequeña cantidad muestra efectos severos en los riñones y el hígado.

La exposición al manganeso en los Estados Unidos está regulada por la Administración de Salud y Seguridad Ocupacional (OSHA). Las personas pueden estar expuestas al manganeso en el lugar de trabajo al inhalarlo o tragarlo. OSHA ha establecido el límite legal (límite de exposición permisible) para la exposición al manganeso en el lugar de trabajo en 5 mg/m durante una jornada laboral de 8 horas. El Instituto Nacional para la Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH) ha establecido un límite de exposición recomendado (REL) de 1 mg/m3 durante una jornada laboral de 8 horas y un límite a corto plazo de 3 mg/m3. A niveles de 500 mg/m3, el manganeso es inmediatamente peligroso para la vida y la salud.

En general, la exposición a concentraciones de Mn en el aire ambiental superiores a 5 μg Mn/m3 puede provocar síntomas inducidos por Mn. El aumento de la expresión de la proteína ferroportina en células de riñón embrionario humano (HEK293) se asocia con una concentración intracelular reducida de manganeso y una citotoxicidad atenuada, caracterizada por la reversión de la absorción de glutamato reducida por manganeso y la fuga disminuida de lactato deshidrogenasa.

Problemas de salud ambiental

En agua potable

El manganeso a base de agua tiene una mayor biodisponibilidad que el manganeso dietético. Según los resultados de un estudio de 2010, los niveles más altos de exposición al manganeso en el agua potable se asocian con un mayor deterioro intelectual y una reducción del coeficiente intelectual en niños en edad escolar. Se supone que la exposición a largo plazo debido a la inhalación del manganeso natural en el agua de la ducha pone en riesgo a 8,7 millones de estadounidenses. Sin embargo, los datos indican que el cuerpo humano puede recuperarse de ciertos efectos adversos de la sobreexposición al manganeso si se detiene la exposición y el cuerpo puede eliminar el exceso.

En gasolina

El metilciclopentadienil manganeso tricarbonilo (MMT) es un aditivo de gasolina que se utiliza para reemplazar los compuestos de plomo por gasolinas sin plomo para mejorar el octanaje de los destilados de petróleo de bajo octanaje. Reduce el agente detonante del motor por la acción de los grupos carbonilo. Los combustibles que contienen manganeso tienden a formar carburos de manganeso, que dañan las válvulas de escape. En comparación con 1953, los niveles de manganeso en el aire han disminuido.

En el humo del tabaco

La planta del tabaco absorbe y acumula fácilmente metales pesados ​​como el manganeso del suelo circundante en sus hojas. Estos son posteriormente inhalados durante el consumo de tabaco. Si bien el manganeso es un componente del humo del tabaco, los estudios han concluido en gran medida que las concentraciones no son peligrosas para la salud humana.

Papel en los trastornos neurológicos

Manganismo

La sobreexposición al manganeso se asocia con mayor frecuencia con el manganismo, un trastorno neurológico raro asociado con la ingestión o inhalación excesiva de manganeso. Históricamente, las personas empleadas en la producción o procesamiento de aleaciones de manganeso han estado en riesgo de desarrollar manganismo; sin embargo, las normas actuales de salud y seguridad protegen a los trabajadores en los países desarrollados. El trastorno fue descrito por primera vez en 1837 por el académico británico John Couper, quien estudió a dos pacientes que eran m.

El manganismo es un trastorno bifásico. En sus primeras etapas, una persona intoxicada puede experimentar depresión, cambios de humor, conductas compulsivas y psicosis. Los primeros síntomas neurológicos dan paso a manganismo en etapa tardía, que se asemeja a la enfermedad de Parkinson. Los síntomas incluyen debilidad, habla monótona y lenta, cara inexpresiva, temblor, marcha inclinada hacia adelante, incapacidad para caminar hacia atrás sin caerse, rigidez y problemas generales con la destreza, la marcha y el equilibrio. A diferencia de la enfermedad de Parkinson, el manganismo no está asociado con la pérdida del sentido del olfato y, por lo general, los pacientes no responden al tratamiento con L-DOPA. Los síntomas del manganismo en etapa avanzada se vuelven más severos con el tiempo, incluso si se elimina la fuente de exposición y los niveles de manganeso en el cerebro vuelven a la normalidad.

Se ha demostrado que la exposición crónica al manganeso produce una enfermedad similar al parkinsonismo caracterizada por anomalías en el movimiento. Esta condición no responde a las terapias típicas utilizadas en el tratamiento de la EP, lo que sugiere una vía alternativa a la pérdida dopaminérgica típica dentro de la sustancia negra. El manganeso puede acumularse en los ganglios basales, lo que provoca movimientos anormales. Una mutación del gen SLC30A10, un transportador de salida de manganeso necesario para disminuir el manganeso intracelular, se ha relacionado con el desarrollo de esta enfermedad similar al parkinsonismo. Los cuerpos de Lewy típicos de la EP no se ven en el parkinsonismo inducido por Mn.

Los experimentos con animales han brindado la oportunidad de examinar las consecuencias de la sobreexposición al manganeso en condiciones controladas. En ratas (no agresivas), el manganeso induce el comportamiento de matanza de ratones.

Trastornos del desarrollo infantil

Varios estudios recientes intentan examinar los efectos de la sobreexposición crónica al manganeso en dosis bajas sobre el desarrollo infantil. El primer estudio se realizó en la provincia china de Shanxi. El agua potable allí se había contaminado debido a un riego inadecuado de aguas residuales y contenía 240–350 μg Mn/L. Aunque las concentraciones de Mn de 300 μg Mn/L o menos se consideraron seguras en el momento del estudio por parte de la EPA de EE. esta provincia mostró un rendimiento más bajo en las pruebas de destreza y rapidez manual, memoria a corto plazo e identificación visual, en comparación con los niños de un área no contaminada. Más recientemente, un estudio de niños de 10 años en Bangladesh mostró una relación entre la concentración de manganeso en el agua de pozo y la disminución de los puntajes de coeficiente intelectual. Un tercer estudio realizado en Quebec examinó a niños en edad escolar entre las edades de 6 y 15 años que vivían en hogares que recibían agua de un pozo que contenía 610 μg Mn/L; los controles vivían en casas que recibían agua de un pozo de 160 μg Mn/L. Los niños del grupo experimental mostraron un aumento de la conducta hiperactiva y de oposición.

La concentración segura máxima actual según las normas de la EPA es de 50 μg Mn/L.

Enfermedades neurodegenerativas

Una proteína llamada DMT1 es el principal transportador en la absorción de manganeso del intestino y puede ser el principal transportador de manganeso a través de la barrera hematoencefálica. DMT1 también transporta manganeso inhalado a través del epitelio nasal. El mecanismo propuesto para la toxicidad del manganeso es que la desregulación conduce al estrés oxidativo, disfunción mitocondrial, excitotoxicidad mediada por glutamato y agregación de proteínas.