망가니즈

주기율표 7족에 속하고 단단하나 부서지기 쉬운 은색 금속으로 비교적 반응성이 큰 원소인 망가니즈는 자연에서 순수한 상태로 존재하지 않고 철과 결합하여 존재하며, 산업적으로 스테인리스강과 같은 합금을 제조하는 데 사용된다. 강철 표면에 인산 망가니즈를 코팅하여 녹과 부식을 방지하는 데 이용되기도 한다. 망가니즈 이온은 산화 상태에 따라 다양한 색을 나타내어 안료 산업에 이용되며 알칼리 금속 및 알칼리 토금속 과망가니즈산 염은 강력한 산화제로 쓰인다. 산화물 중 하나인 이산화 망가니즈는 건전지 전극 소재로 널리 사용된다.

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망가니즈 산화물은 다채로운 색상을 내며 자연계에 널리 분포되어 있어 석기시대부터 동굴 벽화의 채색 안료로 사용되었다. 고대 이집트와 로마에서는 망가니즈 화합물을 사용하여 유리의 색을 조절하였으며 이 방법은 중세를 거쳐 현대까지 사용되고 있다. 예로부터 이산화 망가니즈(MnO₂)가 유리 제조에 널리 사용되었기 때문에 연금술사들에게는 좋은 연구 대상 물질이었다. 카임(Ignatius Gottfried Kaim, 1770)과 글라우버(Johann Glauber, 17세기)는 이산화 망가니즈를 과망가니즈산 염으로 전환할 수 있음을 발견하였다.

18세기 중엽, 스웨덴의 화학자인 셸레(Carl Wilhelm Scheele)는 이산화 망가니즈와 염화수소를 반응시켜 처음으로 염소를 발견하였다. 당시 셸레와 다른 과학자들은 이산화 망가니즈에 새로운 원소가 존재한다는 것을 알고 있었으나 분리하지 못했다. 1744년 간(Johan Gottlieb Gahn)은 이산화 망가니즈를 탄소와 반응하여 환원시킴으로써 불순물이 섞인 망가니즈 금속을 처음으로 분리했다.

망가니즈 광석을 철광석과 함께 탄소와 혼합한 후 용광로나 전기로에서 환원시켜 얻어진 페로망가니즈(ferromanganese)에는 30~80%의 망가니즈가 함유되어 있다. 순수한 망가니즈 금속은 그 광석을 황산으로 녹인 후 전기 분해 과정을 거쳐 생산한다. 더욱 향상된 망가니즈 추출 공정은 그 광석을 850도 이상의 고온에서 천연가스와의 반응으로 환원시켜 용출이 쉬운 일산화 망가니즈(MnO)로 변환시키는 것이다. 이후 입자 크기를 150–250 μm 크기로 잘게 부순 다음 철 이온(Fe²⁺)이 포함된 황산과 반응시켜 망가니즈 금속을 얻는다. 이 공정은 망가니즈의 회수율이 대략 92%이며 순도가 더욱 높은 망가니즈는 전기 분해를 통해 얻을 수 있다.

원소 이름은 고대 그리스의 도시 마그네시아(Magnesia)에서 생산된 광물 중 오늘날 연망가니즈석(pyrolusite) 혹은 이산화 망가니즈로 알려지고 자성을 띠지 않는 광물인 마그네시아(magnesia)로부터 유래된다. 마그네시아는 이산화 망가니즈를 뜻하는 '검은 마그네시아(magnesia negra)'와 일산화 마그네슘을 뜻하는 '흰 마그네시아((magnesia alba)'로 나누어 불렸는데 16세기 유리제작자들은 이산화 망가니즈를 망가네슘(manganesum)이라고 불렀다. 이후 이로부터 분리된 금속 원소를 망가니즈(manganese)로 명명되었는데, 독일에서는 망간(mangan)이라 불렸으며, 원소 기호는 'Mn' 이다.

망가니즈는 철과 비슷한 은회색의 금속으로 단단하고 부서지기 쉽고 쉽게 산화된다. 망가니즈 금속과 대부분의 망가니즈 이온은 상자성(paramagnetic)을 나타낸다. 망가니즈는 공기 중에서 천천히 녹슬며 물속에서 녹아있는 용존 산소와 반응한다.

망가니즈는 자연에서 안정한 동위원소인 ⁵⁵Mn로만 발견된다. 방사성 동위원소는 총 18가지가 알려져 있으며, 이 중 가장 안정한 것은 ⁵³Mn (반감기 370만년), ⁵⁴Mn (반감기 312.3일) 및 ⁵²Mn (반감기 약 5.591일)이다. 세 가지 외의 나머지 방사성 동위원소는 모두 반감기가 3시간 미만이며, 대부분이 1분 미만이다.

망가니즈는 -3에서 +7까지 가능한 산화 상태가 알려졌으며 일반적인 산화 상태는 +2, +3, +4, +6, +7 이다. 생체 내에서 Mn²⁺ 이온은 종종 Mg²⁺ 이온과 경쟁한다. 망가니즈의 산화 상태가 +7인 망가니즈 화합물에는 불안정한 산화물인 칠산화이망가니즈(Mn₂O₇), 진한 자주색의 과망가니즈산(MnO₄^-) 음이온을 포함하는 화합물, 일부 옥시할로젠화물(MnO₃F 및 MnO₃Cl) 등이 있으며 모두 강력한 산화제이다. 망가니즈의 산화 상태가 +5(파란색)와 +6(녹색)인 화합물들은 강한 산화제이며 불균등화(disproportionation) 반응이 잘 일어난다. 산화 상태가 +6 일때 산성 조건에서 일어나는 불균등화 반응의 예는 다음과 같다.

3MnO₄^2- + 4H⁺ → MnO₂ + 2MnO₄^- + 2H₂O

망가니즈의 가장 안정한 산화 상태는 옅은 분홍색을 띠는 +2 이며, 황산 망가니즈(II) (MnSO₄)와 염화 망가니즈(MnCl₂) 와 같이 다양한 망가니즈(II) 화합물이 알려져 있다. +3의 산화 상태를 갖는 망가니즈 화합물에는 아세트산 망가니즈(III)와 같은 화합물이 알려져 있으나, 매우 강력한 산화제이며 용액에서 망가니즈(II)와 망가니즈(IV)로 불균등화되기 쉽다. 망가니즈(III)의 고체 화합물은 짙은 적자색을 띠며 얀-텔러 효과(Jahn-Teller effect)로 뒤틀린 팔면체 배위(distorted octahedral coordination) 구조를 갖는다.

+5의 산화 상태는 이산화 망가니즈를 용융 아질산 소듐염에 용해시켜 만들 수 있고 +6 상태의 망가니즈산염은 망가니즈 화합물을 공기에 노출된 상태에서 용융 알칼리에 용해시켜 합성할 수 있다. +7 상태의 과망가니즈산 음이온을 포함한 화합물은 자주색이며 보라색 유리를 만드는데 사용할 수 있다. 과망가니즈산 포타슘, 과망가니즈산 소듐 및 과망가니즈산 바륨은 모두 강력한 산화제이다.

생물학적으로 망가니즈(II) 이온은 다양한 효소의 보조 인자로 작용 한다. 망가니즈 효소는 유기체 내에 생성되는 초과산화 자유 라디칼(superoxide free radical)의 해독작용에 관여하거나 광합성으로 식물이 산소를 발생시키는 과정에도 관여한다. 망가니즈는 유기체에 필요한 필수 미량 원소중 하나이지만 과량의 망가니즈는 신경 독성을 나타낸다.

이산화 망가니즈는 고대부터 유리의 색을 없애 투명하게 만드는 물질로 사용되어 왔고 산소와 염소를 제조하기 위해 사용되며 흑색 및 갈색을 나타내는 천연 안료이다. 또한 알칼리 전지를 포함한 건전지의 양극 물질로 사용된다. 산화 상태에 따라 다양한 색을 띠는 망가니즈 화합물은 예로부터 도자기와 유리에 첨가되여 색을 내는데 사용되었다. 도자기에서 흔히 보는 갈색은 종종 망가니즈 화합물에서 기인한다. 망가니즈(III) 화합물을 유리에 첨가하면 색을 띠는 불순물인 철(II)와 반응하여 색을 덜 띠는 철(III)와 옅은 분홍색의 망가니즈(II)를 형성하여 유리가 강한 녹색을 띠게 한다. 유리가 핑크색를 띠게 하기 위해서는 더 많은 양의 망가니즈를 사용해야 한다. 망가니즈는 야금(metallurgy) 분야에서 매우 중요한 원소 중 하나이다. 소량의 망가니즈를 철과 강철 생산과정에 첨가하여 산소, 황 및 인 등을 제거하여 강철의 연성을 향상시킬 수 있으며  함량을 높이고 강철의 인장강도를 높일 수 있다. 제강 과정에서 망가니즈 전체 수요의 85~90%를 사용하며 저가인 스테인리스 강의 핵심 구성 원소이다. 약 1.5%의 망가니즈가 포함된 알루미늄은 부식을 일으킬 수 있는 불순물을 흡수하여 합금의 부식에 대한 저항력을 증가시킨다. 이 합금은 대부분의 음료수 캔으로 이용된다. 트라이카보닐메틸사이클로펜타다이엔일 망가니즈(Methylcyclopentadienyl manganese tricarbonyl, MMT)는 옥탄가를 높이고 엔진 노킹을 줄이기 위해 무연 휘발유의 첨가제로 사용된다.

'Manganese' Retrieved on 2017-08-14.