Braunstein (mineralgruppe)

Braunstein er samlebetegnelsen for mangan - mineraler og syntetisk produserte manganoksider med en omtrentlig sammensetning av MnO 1,7 til MnO 2 . Brune steiner kommer i veldig forskjellige former og med forskjellige egenskaper. På grunn av deres dårlige krystallinitet er den eksakte strukturen til mange brune steiner ukjent. Navnet Braunstein kommer fra middelalderen. Det skyldes den brune fargen som oppnås ved glassering av keramikk med manganoksider.

Hendelse

Brune steiner er utbredt og blir utvunnet i mange land. Størstedelen av reservene består imidlertid av malm med lavt til middels manganinnhold (definert som <44% Mn), som må konsentreres før bruk. Sør-Afrika , som har de største kjente reservene, Brasil , Australia og Gabon er for tiden (2005) de viktigste eksportørene av høye manganmalmer. I det tidligere Sovjetunionen ( Ukraina , Georgia ), India og Ghana er høykvalitets innskudd stort sett oppbrukt. Disse landene, som tidligere var blant de viktigste produsentlandene, er derfor bare av mindre betydning som eksportører av malm med lavt Mn-innhold. Innskuddene i Kina og USA består hovedsakelig av malm med lavt Mn-innhold. Med unntak av Hellas er det ingen betydelige innskudd i Europa . I Tyskland pleide man å utvinne manganmalmer nær Gießen , Waldalgesheim og i den sørlige Harzen nær Ilfeld .

Modifikasjoner og strukturer av brownstone

Den grunnleggende byggesteinen for krystallstrukturen til brune steiner er MnO 6 - oktaeder der det sentrale manganatomet er omgitt av seks oksygenatomer. Ved jevnlig å knytte disse oktaedraene via kanter og / eller hjørner, som med tetraederkoblingen av silikater , kan forskjellige strukturer dannes. Det skilles mellom kjedestrukturer ('' ino-manganater ''), nettverk eller tunnelstrukturer ('' Tekto-manganater '') og lagstrukturer ('' phyllomanganater ''). I disse strukturene kan tetravalent mangan også erstattes med treverdig eller toverdig mangan. I tillegg kan fremmede kationer så vel som vann og hydroksidioner inkorporeres. Dette resulterer i den komplekse strukturen og mangfoldige utseendet til brune steiner.

α-MnO 2

Grubig trente cryptomelan fra Marokko

α-Brownstone med en tetragonal krystallstruktur består av doble kjeder av kantdelende MnO 6 octahedra. Dobbeltkjedene er koblet til nærliggende dobbeltkjeder via vanlige oktaederhjørner. Dobbeltkjedene er orientert vinkelrett på hverandre og resulterer dermed i et tredimensjonalt rammeverk med en (2x2) tunnelstruktur, som stabiliseres ved inkorporering av fremmede kationer under krystallisering. På grunn av ladningsneutraliteten må defekter eller manganioner med et oksidasjonsnummer lavere enn +4 være til stede i gitteret. I tillegg kan vann lagres. Sammensetningen av a-mangandioksyd kan beskrives som X N (Mn 3+ , Mn 4+ ) 8 O 16 x H 2 O. α-mangandioksid kan produseres syntetisk. Ofte blir manganomelanene, manganmineraler med tilhørende struktur og innebygde fremmede kationer, regnet som α-brownstone. I Kryptomelan K + -ioner innlemmet i manjiroite Na + -ioner, i Coronadit Pb 2+ -ioner og hollanditt Ba 2+ -ioner. Psilomelan , som inneholder Ba 2+ ioner og vann for stabilisering , er relatert til Hollandit .

β-MnO 2

Krystallinsk pyrolusite samlet fra New Mexico, USA

β-sandsteins med en tetragonal krystallstruktur består av svakt forvrengt MnO 6 oktaedre, som er knyttet til lange kjeder via felles kanter. Dens gitterstruktur tilsvarer rutiltypen (TiO 2 ), noe som betyr at i en bølgede sekskantet tettpakning av O 2- anionene blir hvert annet oktaedriske gap okkupert av en Mn 4+ kation. Kjedene er knyttet til hverandre via hjørnene av oktaedra (det vil si delte oksygenatomer). Dette resulterer i en (1x1) tunnelstruktur med firkantede hulrom mellom oktaedra. Tunnellene er ikke store nok til å lagre utenlandske ioner. β-mangandioksid kan produseres syntetisk og forekommer naturlig som mineralet pyrolusitt , som er relativt godt krystallisert og praktisk talt vannfritt. I vannfri form er det et støkiometrisk mangandioksid med den empiriske formelen MnO 2 . Navnet pyrolusitt er avledet av de greske ordene πυρο "pyro" (ild) og "louein" (å vaske), da dette mineralet allerede ble brukt i gamle tider for å misfarge grønne briller.

R-MnO 2 (Ramsdellite)

Ramsdellite i Arizona, USA

I Ramsdellite , med en ortorhombisk krystallstruktur , er to MnO 6 oktaedriske kjeder knyttet til doble kjeder via felles kanter. Disse doble kjedene er koblet til nabokjedene via oktaederhjørner (det vil si delte oksygenatomer). Resultatet er en (1x2) tunnelstruktur med rektangulære hulrom. Tunnelene er vanligvis tomme, men de kan inneholde små mengder Na + og Ca 2+ ioner samt vann. Ramsdellitt har samme struktur som goetitt (FeO (OH)) og gibbsitt (Al (OH) 3 ). I motsetning til pyrolusitt forekommer mineralet ramsdellitt bare veldig sjelden i naturen. Den er oppkalt etter den amerikanske mineralogen Lewis Stephen Ramsdell.

γ-MnO 2

γ-brownstone er faktisk ikke en modifisering av seg selv, men en vekst av pyrolusitt og ramsdellitt - det vil si i mikroskopisk skala områder med pyrolusitt og ramsdellittstruktur. Strukturen blir enda mer komplisert, siden Mn 3+ ioner kan bygges inn i gitteret i stedet for Mn- 4 + ioner , kan kationer være defekt og H 2 O eller OH - ioner kan bygges inn i konstruksjonen. Derfor γ-MnO er to ofte beskrevet ved formelen Mn (IV) 1-x Mn (III) X O 2-x OH x . γ-Brownstone kan produseres syntetisk og forekommer naturlig som mineralet nsutite . Dette er oppkalt etter de store forekomster av dette mineralet nær Nsuta i Ghana .

δ-MnO 2

Birnessite / Ranciéit pseudomorfisme, antagelig etter seranditt . De olivengrønne "pinnsvinene" er laget av aegirin, og noen små, fargeløse dråper med opal kan sees på de hvite mikroklinkerkrystallene

δ-brownstone består av lag med hjørnedeling MnO 6 octahedra. Siden naturlig forekommende δ-brownstones krystalliserer dårlig, er strukturen deres stort sett ukjent. De naturlig forekommende mineralene birnessite [Na, Ca, Mn (II)] Mn 7 O 14 2,8H 2 O] og vernaditt MnO 2 xH 2 O tilhører denne gruppen. Vernaditter inneholder vanligvis små blandinger av fremmede ioner (K + , Mg 2+ , Ca 2+ , Ba 2+ og Fe 2+ ) og 15-25% vann. Birnessite er det vanligste naturlig forekommende mineralet med en lagstruktur av MnO 6 octahedra. Lagavstanden er omtrent 7,3 Å langs c-aksen. Kationer og vann er innebygd mellom lagene i birnessitt. Mineralet er oppkalt etter stedet der det ble funnet i Birness ( Aberdeenshire ) i Skottland . δ-brune steiner kan også produseres syntetisk.

ε-MnO 2

ε-Brownstone, også kjent som Mineral Akhtenskit , består av en sekskantet tettpakning av O 2− anioner. I denne halvdelen av de oktaedriske hullene er okkupert av Mn 4+ kationer i en tilfeldig fordeling.

bruk

Mangan råvare

Brune steiner er det viktigste råmaterialet for produksjon av metalliske mangan- og manganforbindelser som manganklorid , mangankarbonat , mangansulfat og kaliumpermanganat . I tillegg er brune steiner også anvendes direkte for fremstilling av ferromangan og andre manganlegeringer .

Celler og batterier

Brune steiner eller mangandioksid er blant de viktigste katodematerialene for batterier . Årsaken ligger i kombinasjonen av fysiske og elektrokjemiske egenskaper med god miljøkompatibilitet og en relativt lav pris. Den elektrokjemiske aktiviteten til brune steiner i batterier avhenger av forskjellige faktorer, for eksempel strukturen, det spesifikke overflatearealet , porøsiteten og materialets renhet . Brune steiner brukes i sink-karbon og alkaliske manganbatterier, så vel som i vannfri form i litiumbatterier . I vandige systemer har γ-mangandioksid den høyeste elektrokjemiske aktiviteten og brukes derfor nesten utelukkende. Tidligere ble ofte brukt høyverdig eller bearbeidet naturlig brun stein ( NMD , forkortelsen av det engelske navnet naturlig mangandioksid ). På grunn av økte krav til materialets aktivitet og renhet, brukes bare syntetiske brune steiner i dag. Dette kan kjemisk produsert mangandioksyd ( CMD , forkortelsen for det engelske navnet kjemisk mangandioksid ) eller elektrolytt med teglsteins produsert ved elektrokjemisk MnO 2 avsetning fra Mn 2+ løsninger ( EMD , forkortelsen for det engelske navnet elektrolytisk mangandioksyd ).

Ferritter

Ferritter er elektrisk ikke-ledende ferromagnetiske materialer med den generelle formelen M [Fe 2 O 4 ], hvor M står for et toverdig metallkation. Naturlige og syntetiske brune steiner brukes som utgangsmateriale for produksjon av myke magnetiske ferritter (med M = Zn 2+ og Mn 2+ ).

Oksidasjonsmiddel

Brune steiner er gode oksidasjonsmidler og brukes til uorganiske og organiske reaksjoner i laboratoriet og i industriell skala. Oksidasjoner med brune steiner er teknisk viktig i fargestoff- og duftindustrien. Det viktigste eksemplet er oksidasjon av anilin til hydrokinon . Virkningen av varm saltsyre på mangandioksid skaper manganklorid og elementært klor . Denne reaksjonen (også kjent som Weldon-prosessen ) ble tidligere brukt til å produsere klor.

Glass- og keramikkindustrien

Brune steiner har blitt brukt til å misfarge glass siden eldgamle tider ("glassmaker's soap"). På 1500-tallet anskaffet de reisende hvalene eller venetianerne spesielt de brune steinene de trengte til glassfabrikkene i Venezia ( Murano ). De brukes også til produksjon av brune glasurer på keramikk og til farging av klinkstein . De billige naturlige brune steinene brukes vanligvis til disse applikasjonene.

katalysator

Brownstone brukes av og til som en katalysator , for eksempel i Walter-stasjonen for å bryte ned hydrogenperoksid i vanndamp og oksygen .

Se også

litteratur

  • Eberhard Preisler: Moderne prosesser i storskala kjemi: Braunstein . Kjemi i vår tid 14 (5), s. 137-148 (1980), Wiley-VCH Verlag GmbH, ISSN  0009-2851
  • Qi Feng, Hirofumi Kanoh og Kenta Ooi: Manganoksid porøse krystaller . Journal of Materials Chemistry 9, s. 319-333 (1999), Royal Society of Chemistry Publishing, ISSN  0959-9428 (gjennomgangsartikkel på engelsk)
  • Jeffrey E. Post: Manganoksydmineraler: Krystallstruktur og økonomisk og miljømessig betydning . Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States 96 (7), s. 3447-3454 (1999), National Academy of Sciences, ISSN  1091-6490 (gjennomgangsartikkel på engelsk)
  • Heinz Cassebaum: Stillingen til Braunstein-undersøkelsene av JH Pott (1692–1777) i manganens historie , Sudhoffs Archiv 63 (1979), s. 136–153

weblenker

Individuelle bevis

  1. ^ Hugo Strunz , Ernest H. Nickel: Strunz Mineralogical Tables . 9. utgave. E. Schweizerbart'sche Verlagbuchhandlung (Nägele og Obermiller), Stuttgart 2001, ISBN 3-510-65188-X , s. 245 .