મૅંગેનીઝ

મૅંગેનીઝ : આવર્તક કોષ્ટકના 7મા (અગાઉના VII A) સમૂહનું રાસાયણિક ધાતુ-તત્વ. સંજ્ઞા Mn. તે આવર્તક કોષ્ટકના પ્રથમ દીર્ઘ આવર્તના સંક્રાંતિક (transition) તત્વો પૈકીનું ક્રોમિયમ અને આયર્ન વચ્ચે આવેલું તત્વ છે. કેટલાક ગુણધર્મોમાં તે આ બે તત્વો સાથે સમાનતા ધરાવે છે. શુદ્ધ ધાતુ તરીકે તે ઓછું જાણીતું અને ઉપયોગમાં લેવાતું તત્વ હોવા છતાં પોલાદના ઉત્પાદનમાં સલ્ફરના પ્રમાણનું નિયંત્રણ કરતું હોઈ મહત્વનું છે. એક ટન પોલાદની બનાવટમાં લગભગ 6.5 કિગ્રા. જેટલું મૅંગેનીઝ ફેરોમૅંગેનીઝ (80 % Mn) તરીકે વપરાય છે. આજે લાખો ટન Mn દર વર્ષે વપરાય છે જ્યારે તેની સામાન્ય ખનિજ પાયરૉલ્યુસાઇટ (MnO₂) ફારોહના સમયથી કાચના ઉત્પાદનમાં વપરાતી રહી છે. 1774માં સ્વીડિશ રસાયણવિદ સી. ડબ્લ્યૂ શીલેએ પાયરૉલ્યુસાઇટ સાથે કામ કરતાં તેને પારખ્યું હતું; જ્યારે તેના સહકાર્યકર જે. જી. ગાહને તે જ વર્ષમાં મૅંગેનીઝને અલગ પાડ્યું હતું. 1930માં વિદ્યુતવિભાજન દ્વારા 99.9 % શુદ્ધ મૅંગેનીઝ મેળવવામાં આવ્યું હતું. તેની, ખનિજ પાયરોલ્યુસાઇટ ચુંબકીય ગુણો ધરાવતી હોવાથી ચુંબક માટેના લૅટિન શબ્દ ‘magnes’ અને તેના જર્મન પર્યાય ‘mangan’ અને ફ્રેન્ચ ‘manganese’ પરથી તેને ‘મૅંગેનીઝ’ નામ આપવામાં આવ્યું છે.

ઉપસ્થિતિ (occurrence) : મૅંગેનીઝ મુક્ત સ્વરૂપે મળતું નથી પણ સંયોજિત સ્વરૂપે વિસ્તૃતપણે વિતરિત થયેલું છે. પૃથ્વીના પોપડામાં તત્વોની વિપુલતાની ર્દષ્ટિએ તેનો ક્રમ 12મો, જ્યારે સંક્રાંતિક તત્વો પૈકી તેનો ક્રમ ત્રીજો (આયર્ન અને ટાઇટેનિયમ પછી) છે. તેનું પ્રમાણ 0.106 % (અથવા 1060 ભાગ પ્રતિ દસ લાખ, ppm) છે. સામાન્ય રીતે તે લોખંડના અયસ્કો (ores) સાથે થોડા પ્રમાણમાં મળી આવે છે. આમ તો તે 300 જેટલાં ખનિજોમાં મળી આવે છે, પણ વ્યાપારી ર્દષ્ટિએ તેમાંનાં 12 જેટલાં અગત્યનાં છે. તેના મુખ્ય અયસ્કોમાં જલાન્વિત (hydrated) અને નિર્જલિત (dehydrated) ઑક્સાઇડોનો સમાવેશ થાય છે. થોડેક અંશે તે સિલિકેટ અને કાર્બોનેટ રૂપે મળે છે જ્યારે અત્યંત અલ્પ પ્રમાણમાં સલ્ફાઇડ કે ફૉસ્ફેટ રૂપે મળી આવે છે. ધાતુકર્મીય (metallurgical) હેતુઓ માટે 35 %થી 40 % કરતાં વધુ Mn ધરાવતા અયસ્કો ઉપયોગી છે. જોકે Mnના ઓછા પ્રમાણવાળા રહોડોનાઇટ (rhodonite) જેવા અયસ્કો માટે ઉચ્ચ તીવ્રતાવાળી વિદ્યુતચાપ (arc) વિધિ વિકસાવવામાં આવી છે. વનસ્પતિ અને માનવશરીરમાં પણ આ તત્વ રહેલું છે.

મૅંગેનીઝનું ઉત્પાદન કરતા દેશોમાં અગાઉના સોવિયેત સંઘ (USSR), ગેબન, બ્રાઝિલ, ઑસ્ટ્રેલિયા, ચીન, દક્ષિણ આફ્રિકાનું પ્રજાસત્તાક, ઘાના અને મોરોક્કોનો સમાવેશ થાય છે. સોવિયેત રશિયામાંથી મળતા એક ઉચ્ચ કક્ષાના અયસ્કનું પૃથક્કરણ આ પ્રમાણે છે : MnI 18.8 %; MnO₂ 62.4 %; Fe₂O₃ 1.3 %; SiO₂ 6.9%; P₂O₅ 0.33 %; Al₂O₃ 1.1 %; CaO 1.4 % અને H₂O 5.5 %. આ 53.97 % મૅંગેનીઝને સમતુલ્ય છે. ભારતમાં Mn પંચમહાલ (ગુજરાત), નાગપુર, મૈસૂર, બિહાર અને ઓડિશામાં મળી આવે છે. આ ખનિજોમાં Mnનું પ્રમાણ 45 થી 55 % વચ્ચે હોય છે.

મૅંગેનીઝના સિલિકેટ ખનિજોના અપક્ષય(weathering)નું એક પરિણામ એ જોવા મળ્યું છે કે મૅંગેનીઝ, આયર્ન અને અન્ય ધાતુઓના ઑક્સાઇડના કલિલીય કણો ધોવાઈને સમુદ્રમાં ગયા છે અને ત્યાં સંપિંડિત (agglomerate) થઈ આખરે સમુદ્રને તળિયે બટાટાના આકારની મૅંગેનીઝની ગ્રંથિકા(nodules)માં સંહતીકરણ (compactification) પામ્યા છે. (આમાં Mn મુખ્ય ઘટક હોઈ તે મૅંગેનીઝ – ગ્રંથિકાઓ તરીકે ઓળખાય છે). HMS ચેલેન્જરની સફર (1872–76) દરમિયાન તે સૌપ્રથમ જોવા મળ્યા હતા.

મૅંગેનીઝની મુખ્ય ખનિજો સારણી 1માં દર્શાવી છે.

સારણી 1 : મગેનીઝના અયસ્કો

ખનિજ	રંગ	શુદ્ધ હોય ત્યારે Mnના ટકા	રાસાયણિક સ્વરૂપ
પાયરૉલ્યુસાઇટ	આછા ભૂખરાથી કાળો; ધાત્વિક ચળકાટ (lustre)	63.2	MnO2
સિલોમિલેન	કાળો; અર્ધધાત્વિક ચળકાટ	45–60	BaMn2Mn48O16(OH)4
મૅંગેનાઇટ	ઘેરા ભૂખરાથી કાળો	62.4	Mn2O3રH2O અથવા MnO(OH)
બ્રૉનાઇટ	તપખીરિયો	62	3Mn2O3·MnSiO3
હૉસ્મેનાઇટ	તપખીરિયાથી કાળો	72	Mn3O4
ર્હૉડોક્રોસાઇટ ડાયાલોગાઇટ	ગુલાબી, લાલ, ભૂખરો, તપખીરિયો; કાચિક ચળકાટ	48	MnCO3
ર્હોડોનાઇટ	લાલ, ગુલાબી, તપખીરિયો	42	MnSiO3
આલ્બેન્ડાઇટ (Mn–બ્લેન્ડે)			MnS

નિષ્કર્ષણ : પાયરૉલ્યુસાઇટ ખનિજમાંથી થર્માઇટ વિધિથી સરળતાથી મૅંગેનીઝ પ્રાપ્ત કરવામાં આવે છે. આ પહેલાં કાર્બનની મદદથી મૅંગેનીઝ ઑક્સાઇડનું અપચયન કરી ધાતુ છૂટી પાડવામાં આવતી હતી, પરંતુ મૅંગેનીઝ ધાતુ કાર્બન સાથે કાર્બાઇડ સંયોજન બનાવતી હોવાથી મળેલી ધાતુમાં કાર્બાઇડની અશુદ્ધિ આવતી હતી. થર્માઇટ–વિધિમાં આવી અશુદ્ધિ આવતી નથી, તેથી આધુનિક પદ્ધતિ તરીકે થર્માઇટ–વિધિ વપરાય છે.

પાયરૉલ્યુસાઇટમાં લોખંડ અને ઍલ્યુમિનિયમના ઑક્સાઇડ અને સિલિકાની અશુદ્ધિ હોય છે. અત્યંત બારીક વાટેલી ખનિજને ભેજ દૂર કરવા ગરમ કરવામાં આવે છે. ત્યારબાદ વીજચુંબકીય પટ્ટી પરથી પસાર કરતાં લોખંડની અશુદ્ધિનું અલગીકરણ થઈ જાય છે. લોખંડમુક્ત ખનિજને ઍલ્યુમિનિયમના ભૂકા સાથે ઉષ્માસહ ક્રુસિબલમાં 2/3 કદ જેટલી ભરવામાં આવે છે અને તેની ઉપર બેરિયમ પેરૉક્સાઇડ અને ઍલ્યુમિનિયમનો ભૂકો દહનમિશ્રણ તરીકે નાંખવામાં આવે છે. પ્રક્રિયા નીચે પ્રમાણે થાય છે :

પાત્રને તળિયે પીગળેલી ધાતુ રહે છે જ્યારે સિલિકા અને ઍલ્યુમિનિયમ ઑક્સાઇડની અશુદ્ધિ છારી-રૂપે ધાતુ ઉપર તરે છે. જેને દૂર કરી લેવામાં આવે છે. આ રીતે મળેલી ધાતુ સામાન્ય ઉપયોગમાં લઈ શકાય તેટલી શુદ્ધ હોય છે.

શુદ્ધ (99.9 %) મૅંગેનીઝ મેળવવા એમોનિયમ સલ્ફેટ વડે બફરીકૃત (buffered) મૅંગેનીઝ(II) સલ્ફેટના દ્રાવણનું બે વિભાગવાળા મધ્યપટ (diaphram) કોષમાં લેડની મિશ્રધાતુના એનૉડ અને મિશ્રધાતુ–પોલાદ(alloy-steel)ના (દા. ત., હેસ્ટેલોયના) કૅથોડ વાપરી વિદ્યુતવિભાજન કરવામાં આવે છે. એનોલાઇટ (એનોડ–દ્રાવણ) તરીકે pH=1 ધરાવતું મૅંગેનીઝ સલ્ફેટ, એમોનિયમ સલ્ફેટ અને સલ્ફ્યુરિક ઍસિડનું દ્રાવણ જ્યારે કેથોલાઇટ તરીકે મૅંગેનીઝ સલ્ફેટ, એમોનિયમ સલ્ફેટ, સલ્ફર ડાયૉક્સાઇડ અને ગુંદરનું દ્રાવણ વપરાય છે; જેનું pH 6થી 7.2 વચ્ચે રાખવામાં આવે છે.

ગુણધર્મો : શુદ્ધ સ્વરૂપે ચાંદી જેવી સફેદ અનુચુંબકીય ધાતુ. કાર્બન જેવી અશુદ્ધિને લીધે તેનો રંગ રાખોડી બને છે. સખત અને બરડ ધાતુ. તે ઊંચું ગલનબિંદુ અને ઉત્કલનબિંદુ ધરાવે છે. Mnના કેટલાક ભૌતિક ગુણધર્મો સારણી 2માં આપ્યા છે.

સારણી 2 : મૅંગેનીઝના ભૌતિક ગુણધર્મો

પરમાણુભાર	54.93805
પરમાણુક્રમાંક	25
ઇલેક્ટ્રૉનીય વિન્યાસ	[Ar]3d54s2
વિદ્યુતઋણતા	1.5
ગલનબિંદુ (°સે.)	1244
ઉત્કલનબિંદુ (°સે.)	2060
ઘનતા (25° સે.) (ગ્રા./ઘ.સેમી.)	7.43
વિદ્યુત–અવરોધ (μΩ સેમી.)	185.0
કુદરતી સમસ્થાનિકો	1
માનક અપચયન વિભવ, E° (વૉલ્ટ) (Mn2+ + 2e ⇌ Mn)	–1.185
સંયોજકતા	2, 3, 4, 6, 7
પરમાણુકદ (ઘ.સેમી./ગ્રા.પરમાણુ)	7.39743
પરમાણુત્રિજ્યા (Å)	1.26

હવામાં રાખતાં તેના પર ઑક્સાઇડનું પડ બનતાં તેની સપાટી ઝાંખી પડે છે; પરંતુ ત્યારબાદ ગરમ કરતાં પણ તેનું ઑક્સિડેશન થતું નથી. અત્યંત બારીક વાટેલી ધાતુનું તુરત ઑક્સિડેશન થઈ ઑક્સાઇડ બને છે. શુદ્ધ ધાતુ પર પાણીની કે વરાળની અસર થતી નથી; પરંતુ જો તેમાં કાર્બનની અશુદ્ધિ હોય તો તુરત જ ધાતુનો હાઇડ્રોક્સાઇડ બને છે. મંદ કે સાંદ્ર બંને પ્રકારના ઍસિડમાં ઓગળીને તે આછા ગુલાબી રંગનું દ્રાવણ બનાવે છે. અધાતુ તત્વો જેવાં કે હેલોજન, સલ્ફર, કાર્બન, સિલિકોન, બોરોન અને નાઇટ્રોજન સાથે તે સીધાં સંયોજનો બનાવે છે. બીજી ધાતુઓ સાથે પણ સરળતાથી સંયોજાઈ મિશ્રધાતુઓ બનાવે છે.

મૅંગેનીઝ +1થી +7 સુધીની અલગ અલગ ઑક્સિડેશન સ્થિતિ ધરાવે છે; જેમાં +4, +3 અને +2 અને +7 ઑક્સિડેશન સ્થિતિવાળા ક્ષારો સરળતાથી પ્રાપ્ત થાય છે. તેની [Ar]3d⁵,4s² ઇલેક્ટ્રૉન સંરચના દર્શાવે છે કે તેની 3d કક્ષક અપૂર્ણ રીતે ભરાયેલી છે. તેને કારણે તેને સંક્રાંતિ તત્વ કહી શકાય. તેની ઑક્સિડેશન-સ્થિતિ બદલાતાં તેના ક્ષારોના ઍસિડિક અથવા આલ્કલાઇન ગુણધર્મો બદલાય છે. +2 અને +3 ઑક્સિડેશન-સ્થિતિવાળા ક્ષારો આલ્કલાઇન ગુણધર્મ દર્શાવી ઍસિડ સાથે ક્ષાર બનાવે છે; જ્યારે અન્ય ઑક્સિડેશન-સ્થિતિ ધરાવતા ક્ષારો ઉભયધર્મી હોય છે. ઊંચી ઉપચયન સ્થિતિમાં તેનો ઉપચયનકર્તા ગુણ વધે છે; દા. ત., પોટૅશિયમ પરમૅંગેનેટ (Mn⁺⁷) ઉપચયનકર્તા છે, જ્યારે (Mn⁺¹) અને (Mn^o) અપચયનકર્તા છે. ઉપચયનસ્થિતિ અનુસાર મૅંગેનીઝના ક્ષારોમાં અયુગ્મિત ઇલેક્ટ્રૉન રહેલા હોવાથી આવા ક્ષારો અનુચુંબકીય હોય છે.

ઉપયોગ : શુદ્ધ ધાતુસ્વરૂપે મૅંગેનીઝનો ઉપયોગ પ્રમાણમાં ઓછો થાય છે, પરંતુ તે જુદી જુદી ઉપયોગી મિશ્રધાતુઓ બનાવે છે, જેમાં ફેરો – મૅંગેનીઝ (Fe– Mn) (80 % Mn) અને મૅંગેનીઝ બ્રૉન્ઝ (Cu, Mn, Zn) મુખ્ય છે. ફેરો – મૅંગેનીઝનો ઉપયોગ પોલાદના ઉત્પાદનમાં થાય છે. બિનલોહ-મિશ્રધાતુઓનો સંક્ષારણ–પ્રતિરોધ વધારવા તેમાં Mn ઉમેરવામાં આવે છે. મૅંગેનીન (84 % Cu, 12% Mn, 4% Ni) નામે જાણીતી મિશ્રધાતુ વિદ્યુતીય સાધનો માટે વપરાય છે, કારણ કે તેની વિદ્યુત-પ્રતિરોધકતાનો ઉષ્માગુણાંક લગભગ શૂન્ય હોય છે.

સંયોજનો : મૅંગેનીઝ +2 થી +7 ઉપચયનસ્થિતિ ધરાવતા રંગીન ક્ષારો, જેવા કે ક્લોરાઇડ, બ્રોમાઇડ, આયોડાઇડ, સલ્ફાઇડ, ઑક્સાઇડ, નાઇટ્રેટ, સલ્ફેટ, કાર્બોનેટ, નાઇટ્રાઇડ, કાર્બાઇડ સંયોજનો બનાવે છે અને અપૂર્ણ ભરાયેલી 3d કક્ષકને કારણે તે સંકીર્ણ ક્ષાર પણ બનાવે છે.

મૅંગેનીઝનાં અગત્યનાં સંયોજનો નીચે મુજબ છે :

મૅંગેનીઝ ડાયૉક્સાઇડ (MnO₂) : મગેનીઝ MnO, Mn₂O_3, Mn₃O₄ અને MnO₂ જેવા ઑક્સાઇડ બનાવે છે; જેમાં મૅંગેનીઝ ડાયૉક્સાઇડ MnO₂ સૌથી મહત્વનો છે. કુદરતમાં તે પાયરૉલ્યુસાઇટ ખનિજ રૂપે મળે છે.

200° સે. તાપમાને મૅંગેનીઝ નાઇટ્રેટને ગરમ કરતાં મૅંગેનીઝ ડાયૉક્સાઇડ મળે છે :

Mn(NO₃)₂ → MnO₂ + 2NO₂

તે કાળો અસ્ફટિકમય, પાણીમાં અદ્રાવ્ય પદાર્થ છે. હવાની ગેરહાજરીમાં ગરમ કરતાં તે મૅગેનોમેંગેનિક ઑક્સાઇડ બનાવે છે.

3MnO₂ → Mn₃O₄ +O₂

તે ઉપચયનકર્તા છે અને સાંદ્ર હાઇડ્રૉક્લોરિક ઍસિડમાંથી ક્લોરીન વાયુ મુક્ત કરે છે.

MnO₂ + 4 HCl → MnCl₄ + 2H₂O.

MnCl₄ → MnCl₂ + Cl₂.

MnO₂નો ઉપયોગ Cl₂ ની બનાવટમાં, અને મૅંગેનીઝના બીજા ક્ષારો બનાવવા તથા ઉપચયનકર્તા પદાર્થ તરીકે થાય છે.

પોટૅશિયમ પરમૅંગેનેટ (KMnO₄) : તે પાયરોલ્યુસાઇટ ખનિજ(MnO₂)માંથી બનાવાય છે. અત્યંત બારીક વાટેલી પાયરૉલ્યુસાઇટ ખનિજને પોટૅશિયમ નાઇટ્રેટની હાજરીમાં કૉસ્ટિક પોટાશ સાથે પિગાળવાથી તે બને છે.

2MnO₂ + 4KOH + O₂ → 2KMnO₄ + 2H₂O

લીલા રંગના આ પદાર્થનું પાણીમાં દ્રાવણ બનાવી તેમાં કાર્બન- ડાયૉક્સાઇડ વાયુ પસાર કરતાં પોટૅશિયમ પરમગેનેટનું જાંબલી દ્રાવણ મળે છે :

3K₂MnO₄ + 2H₂O + 4CO₂ → 3KMnO₄ + MnO₂ + 4KHCO₃

મંદ સલ્ફ્યુરિક ઍસિડ સાથેની પ્રક્રિયાથી પણ પોટૅશિયમ મૅંગેનેટમાંથી પોટૅશિયમ પરમૅંગેનેટ બનાવી શકાય છે.

3K₂MnO₄ + 2H₂SO₄ → K₂SO₄ + 2KMnO₄ + MnO₂ + H₂O

તેના ઘેરા જાંબલી રંગના ધાત્વિક ચળકાટ ધરાવતા સ્ફટિકજળયુક્ત સ્ફટિકો પાણીમાં મુશ્કેલીથી દ્રાવ્ય બને છે. ગરમ કરતાં ઑક્સિજન-વાયુ મુક્ત કરી પોટૅશિયમ મૅંગેનેટ બનાવે છે.

2KMnO₄ → K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂

સાંદ્ર સલ્ફ્યુરિક ઍસિડ સાથે તે મૅંગેનીઝ હેપ્ટોકસાઇડ (Mn₂O₇) બનાવે છે.

પોટૅશિયમ પરમૅંગેનેટ શક્તિશાળી ઉપચયનકર્તા હોવાથી ઉપચયન માટે વપરાય છે. તે ઊન, સૂતર અને રેશમના વિરંજન(bleaching) માટે, પદાર્થોમાંની કાર્બનિક અશુદ્ધિ દૂર કરવા, ખનિજ જળ (mineral water)માંથી કાર્બન-ડાયૉક્સાઇડની અશુદ્ધિ દૂર કરવા માટે વપરાય છે. આયર્ન, હાઇડ્રોજન પેરૉક્સાઇડ અને નાઇટ્રાઇટના ગુણદર્શક પૃથક્કરણમાં પણ તે વપરાય છે. કાર્બનિક પદાર્થમાં દ્વિબંધની હાજરી પારખવા માટે પોટૅશિયમ પરમૅંગેનેટનું આલ્કલાઇન દ્રાવણ, બેયરનો પ્રક્રિયક (Baeyer’s reagent), વપરાય છે. પાણીને જંતુનાશક બનાવવા પણ તે ઉપયોગમાં લેવાય છે.

વિશ્લેષણાત્મક : મૅંગેનીઝના ક્ષારો ઑક્સિડાઇઝિંગ જ્યોતમાં જાંબલી-બદામી રંગનો બૉરેક્સ મણકો આપે છે. ગુણદર્શક પૃથક્કરણમાં એમોનિયમ સલ્ફાઇડ સાથેની પ્રક્રિયાથી તે આછા બદામી રંગના મૅંગેનીઝ સલ્ફાઇડના અવક્ષેપ આપે છે. સાંદ્ર નાઇટ્રિક ઍસિડ અને લેડ ડાયૉક્સાઇડની હાજરીમાં ગરમ કરતાં પરમૅંગેનિક ઍસિડનો જાંબલી રંગ દેખાય છે.

ભારમાપક પૃથક્કરણમાં મૅંગેનીઝનું મૅંગેનીઝ એમોનિયમ ફૉસ્ફેટ MnNH₄PO₄·H₂O તરીકે અવક્ષેપન કરી, અવક્ષેપને ગરમ કરી મૅંગેનીઝ પાયરૉફૉસ્ફેટ Mn₂P₂O₇ તરીકે વજન કરી મૅંગેનીઝનું પ્રમાણ શોધાય છે. કદમાપક પૃથક્કરણમાં મૅંગેનીઝનું અનુમાપન વૉલ્હાર્ડની (Volhard’s) પદ્ધતિથી કરવામાં આવે છે.

ચિત્રા સુરેન્દ્ર દેસાઈ