【元素家族-连载129】锰:野外生存必备?

理性边界2018-05-17 11:01:46

野外生存 & 锰 ?

看了上一篇的读者会问,既然海里的锰元素那么难提取,那么我们用的锰元素都来自陆地吗?确实如此。最早一批被人类利用的金属元素中很可能包含锰,这实在没有什么奇怪的,因为锰在地壳里的元素丰度排名列第12位。(写了这么多篇过渡元素,总算有一个能排进前20了)


人类利用含锰的物质可以追溯到石器时代,当人们还是穴居人的时候,穴居人就找到一种黑色松软的矿物,用它来在洞壁上作画。这种黑色的矿物就是我们现在的软锰矿(二氧化锰),分布非常广泛,是陆地上锰元素最主要的存在方式。

【三万年前,法国穴居人留下的岩画。】


希腊的美格利西亚(magnesia)是一个神奇的地方,除了很多的苦土(氧化镁)矿物以外,这里还出产两种黑色矿物。有趣的是,古希腊人给这两种矿物划分了性别,男性的有磁性,可以吸引铁质物品,女性的没有磁性,但是添加到玻璃里可以使绿色的玻璃变得透明。现在我们知道,男性黑矿就是磁铁矿(四氧化三铁),女性矿物就是软锰矿(二氧化锰)。所以到现在,英语里磁铁矿还叫做magnetite,磁性叫做magnet也是从这里来的,而软锰矿还就被称为美格利西亚(magnesia),一个相当女性化的名字。

【元素圣地:美格利西亚,镁和锰两种元素由此命名,磁铁矿和磁性也来源于此。】


由于软锰矿如此易得,是炼金术师们的必备良药,1659年,一位炼金术师格劳贝尔将软锰矿和碳酸钾(当时叫草木灰)溶液混合,得到了绿色的溶液(锰酸钾),放置一段时间以后,绿色溶液缓慢变成鲜艳的粉色了,这就是高锰酸钾的诞生。很快,高锰酸钾就成为实验室的常用药品了,作为一种强氧化剂使用。


200年后,英国人康迪发现高锰酸钾有很好的消毒作用,于是注册了“康迪液”的商标,高锰酸钾的消毒原理类似次氯酸盐,易放出原子态氧,具有强氧化性。但相较于次氯酸盐,高锰酸钾放出原子态氧的速度稍慢,因此可用于与人体相关的消炎灭菌。直到现在,高锰酸钾还出现在我们身边的各种消毒剂中,比如口腔消毒剂、妇女洗液、植物中毒的洗胃等等。

【用高锰酸钾修复向内生长的趾甲。粉色的高锰酸钾类似玫瑰,让人身心愉悦。】

高锰酸钾是一种普遍使用的氧化剂,我们初中都学过用高锰酸钾制氧气的实验,在实验室里还可以用高锰酸钾氧化浓盐酸来制取氯气。高锰酸钾遇到很多种有机物,都会发挥它氧化性强的特点,将有机物点着。


户外达人们可以随身携带一些高锰酸钾,需要生火的时候就将一些白糖和它混合,夹在干木片中,摩擦生火三十秒,困在深山不用急。

此外,在户外,如果携带的饮用水喝光了,可以在野外取水,加入少许高锰酸钾消毒,放置半小时后就可以饮用了。

如果去雪山或者南北极挑战极限,在迷路的时候,可以向雪地撒上高锰酸钾,它那明亮的紫红色会让救援很快的找到迷途的旅行者。

【户外旅行必备良药:高锰酸钾。】


我们还能想起,舍勒就是用软锰矿氧化盐酸得到了氯气,1866年,英国人威尔登将这种方法工业化,被称为“威尔登法”。在基于电解的氯碱工业发展起来之前,这一直是最常用的制取氯气的方法。


舍勒当时已经很敏锐的意识到,软锰矿中含有一种金属元素,但是他有更重要的工作——火焰空气——要做,所以未能百尺竿头更进一步。在当时,瑞典化学界最牛的一个是舍勒,另一位是伯格曼,舍勒将这个想法告诉了伯格曼,但伯格曼也没有时间去做,而是将这个课题丢给了他的助手加恩,加恩用碳粉在高温下还原软锰矿,得到了不纯的锰金属,这个化学史上的无名之辈成为了“锰”的发现者!


这个年代里,软锰矿的美丽名字早已经演变美格利西亚(magnesia)成德文中阳刚之气十足的“Mangan”(蛮干?)。若干年后,镁被戴维发现了,人们为了防止与镁(magnesium)混淆,就将锰命名为manganese,翻译成中文就是“锰”。

【锰元素的发现者,加恩。】


早在古希腊时代,铁匠们就发现将软锰矿和磁铁矿混合,炼出的铁特别坚硬,非常适合做斯巴达人的兵器。锰元素被发现之后,人们发现在炼钢过程中加入少许锰,所制得的低锰钢简直脆得象玻璃一样,一敲就碎。但如果加入的锰比较多,至少达到8%,制成的高锰钢既有韧性又很坚硬。日本武士刀就是用这种高锰钢做出来的,坚实耐用。

【日本武士刀,用的是高锰钢。】


1882年,英国人哈德菲尔德制成了一种锰含量12%的高锰钢,被用于英军的钢盔,后来被美军学习过去。直到现在,这种高锰钢还被称为“哈德非钢”,每年有80%-90%的锰被提炼出来,做成各种各样的高锰钢。


上一篇我们提到不锈钢中是掺入了铬元素和镍元素,现在也有用锰取代镍,这种200系列的不锈钢耐腐蚀性能较差,是廉价的替代品,各位厂家在购买时需要注意。

【一战期间,英军的头盔。】


进入电气时代,二氧化锰也找到了很好的用途:在锌-碳电池中,填充在电池内,当做阴极的抗极化剂。我们可以拆开一只老式的干电池,里面有很多黑色的粉末,这就是二氧化锰。

随着锌-碳电池被镍-镉电池和锂电池所取代,二氧化锰在电池里也用的越来越少了。

【锌-碳干电池的结构图。】


锰和铬是跟铁关系合作最紧密的元素,锰钢和不锈钢是最常见的合金钢,所以经常会把这三种元素铁铬锰(铁哥们)合称为“黑色金属”,而把其他金属元素另称为“有色金属”。当然,黑色金属都是银白色的,绝不是黑色的,有色金属除了金、铜、铯等有限的几种元素不是银白色的,其他也都是银白色的。这里的“黑色”和“有色”只是工业上的习惯称谓。

【电解出的粗锰和一个纯锰的方块。】


将锰矿石开采出来自然是需要大量人力的,1837年,科学家发现开采锰矿的工人得帕金森综合症的几率要比正常人大很多。


分子生物学发展起来以后,人们才发现,锰是一种人体必需的微量元素,成年人每天的需求量大约是2毫克左右。主要存在于一些酶中,比如精氨酸酶,超氧化物歧化酶(SOD)等等。缺乏锰的人会发育不良,新陈代谢紊乱。但如果一个成年人每天摄入超过11毫克的锰,则有可能发生锰中毒,过多的锰会造成神经系统紊乱,多巴胺神经元死亡,临床症状和帕金森综合症几乎完全一样。

【精氨酸酶结构,黄色的是锰原子。】

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