Manganese ( Mn ), 25- 망간, 망가니즈

 

원자번호 25번인 Mn은 얼마 전까지 망간이라 불렀으나, 현재는 IUPAC(국제 순수ㆍ응용화학 연합) 명명법에 따라 망가니즈(manganese)라 부른다. 화학을 공부한 대부분의 사람은 화학실험에서 산소(O2)를 얻을 때 촉매로 사용하는 검은색의 이산화 망가니즈(이산화 망간, MnO2)와 산화-환원 적정에 많이 쓰이는 보라색의 과망가니즈산 포타슘(과망간산 칼륨, KMnO4)을 기억해 낼 수 있을 것이다. 또 건전지(알칼리 전지 포함)에도 MnO2를 사용한다는 것을 한번쯤 들은 적이 있을 것이다. 원소 망가니즈의 주된 용도는 철과 합금을 만들어 각종 기계, 철도레일, 강판 등의 제조에, 그리고 알루미늄과 합금을 만들어 음료수 캔 등의 제조에 쓰이는 것이다. 망가니즈는 모든 생물에게 미량으로 필요한 필수 영양소인 반면, 너무 많은 양이 몸 안으로 들어오면 영구적인 신경 장애를 일으키는 독성 금속이기도 한다. 이처럼 친숙하고 중요한 원소 망가니즈에 대해 좀 더 구체적으로 알아 보기로 하자.     원자번호 25번, 망가니즈 망가니즈(manganese)는 원자번호 25번의 원소로, 원소기호는 Mn이다. 주기율표에서는 7족(7B족)에 속하는 단단하나 부서지기 쉬운 은색 금속이다. 비교적 반응성이 큰 원소로, 공기 중에서 덩어리로 있을 때는 느리게 산화되나 가루로 있을 때는 불이 붙게 된다. 물과 반응하여 수소 기체를 발생시킨다. 1800년대 초반에 망가니즈를 첨가하면 철이 단단해지는 것이 발견되고 나서, 중요한 금속 합금 재료로 사용되고 있다.

 

원자번호 25번, 망가니즈. <출처: gettyimages>

망가니즈의 원소 정보.

 

 

망가니즈는 지각에서 무게로 약 1000ppm(약 0.1%) 정도로 존재하는 대략 12번째로 풍부한 원소이다. Mn이 들어있는 가장 중요한 광석은 연망가니즈석(pyrolusite: MnO2)이며, 갈망가니즈석(braunite: Mn7SiO12), 경망가니즈석(psilomelane: MnO2·(Mn,Ca,Ba)O·nH2O) 등도 주요 광물이다. 흙에는 평균 40ppm(0.04%) 정도 들어 있고, 바닷물에는 단지 10ppm 정도 들어있으나 해저에는 무려 5000억 톤으로 추정되는 망가니즈 단괴가 있다.

 

화합물에서 가장 안정한 산화 상태는 +2이나, 산화수가 +2~+7인 다양한 화합물들이 존재한다. 중요한 망가니즈 화합물 중의 하나로 MnO2를 들 수 있는데 이는 연망가니즈석으로 자연계에 널리 분포되어 있으며 옛날부터 벽화를 그리는 안료로 사용되었고 유리를 제조할 때 유리의 색을 없애는 데도 널리 사용되었다. 또한 여러 반응에서 산화제로 사용되며, 많이 사용되는 1차 전지(충전이 되지 않는 전지)인 망간 건전지(알칼리 건전지 포함)에서 양극(전자를 받는 물질)으로 사용된다.   망가니즈는 모든 생명체에서 필요한 미량 필수 영양소로 동물 사료와 비료에 첨가되기도 한다. Mn2+는 여러 효소(예로, 과산화물제거효소)의 보조인자로 작용하며, 식물의 광합성에도 관여한다. 그러나 필요 이상으로 많은 양이 체내로 들어오면 신경 장애 등 여러 독성 증상이 나타날 수 있다.

라스코 동굴 벽화는 그 일부에 망가니즈가 포함된 안료가 사용된 것으로 알려져 있다. <출처: (CC)Prof saxx at Wikipedia.org>

 

 

원소 이름의 유래: 자석(magnet), 마그네슘(magnesium) 등과 뿌리가 같다. 망가니즈(manganese)라는 원소 이름이 유래된 과정은 상당히 복잡하다. 고대 그리스의 도시 마그네시아(Magnesia)에서는 두 가지 종류의 검은색 광석이 채굴되었는데, 이들을 모두 산지의 이름을 따서 마그네스(magnes)라 불렀다. 하나는 철을 끌어당기는 성질을 갖는 ‘남성’ 마그네스로, 오늘날 자철광(magnetite, Fe3O4)이라 부르는 것인데, ‘magnetite(자철광)’와 ‘magnet(자석)’라는 말은 여기서 나왔다. 다른 하나는 철을 끌어당기는 성질이 없는 ‘여성’ 마그네스로 오늘날 연망가니즈석(pyrolusite, MnO2)이라 부르는 것이다. 이 광석은 유리를 제조하는 과정에서 유리 원료에 들어있는 불순물 때문에 나타나는 색을 없애기 위해 사용되었는데, ‘pyrolusite’라는 광석 이름은 그리스어로 ‘pyro(불)’와 ‘louein(씻다)’을 복합시킨 것으로, 가열시켜 정제하는 것을 뜻한다. 마그네스(magnes)는 고전 후기 라틴어에서 마그네시아(magnesia)로 바뀌었다.   한편 마그네시아 지역에서는 흰색 광물도 채굴되었는데, 이 광물을 검은 마그네시아(magnesia negra)’와 구분하여 ‘흰 마그네시아(magnesia alba)’라고 불렀는데 이는 화학적으로는 산화마그네슘(MgO)이다. 중세를 거치면서 말이 조금씩 바뀌어 MnO2 광석을 일컬었던 ‘검은 마그네시아(magnesia negra)’는 망가네슘(manganesum)으로 부르게 되었고, 이후 망가네슘에서 분리∙발견된 금속 원소는 망가니즈(manganese)로 명명되었는데, 독일에서는 망간(mangan)라 불렸다. 한편 산화마그네슘(MgO)을 일컬었던 ‘흰 마그네시아(magnesia alba)’는 ‘흰(alba)’을 빼고 그냥 마그네시아(magnesia)로 부르게 되었고, 뒤에 이에서 분리∙발견된 원소는 마그네슘(magnesium)으로 명명되었다. 따라서 망가니즈(manganese, Mn), 자철광(magnetite, Fe3O4), 마그네슘(magnesium, Mg), 마그네시아(magnesia, MgO), 자석(magnet)의 영어식 명칭은 모두 고대 그리스 지역 ‘Magnesia’에서 유래되었다고 할 수 있다.

 

 

역사와 분리∙발견

1774년 간은 연망가니즈석을 숯과 함께 가열하여 금속 망가니즈를 분리하였다.

연망가니즈석(이산화망가니즈, MnO2)은 널리 분포되어 있는 천연 안료로, 2~3만년 전의 석기시대부터 그림을 그리는 데 사용되었다. 고대 이집트와 로마인들은 MnO2를 써서 유리에 들어있는 불순물 때문에 생기는 색깔을 없애고 맑은 유리를 얻는 방법을 개발하였는데, 이 방법은 중세를 거쳐 현대까지 사용되고 있다.   1700년대 중반에 들어서면서 많은 화학자들이 연망가니즈석(MnO2)에 당시까지 분리∙발견 되지 않은 새로운 원소가 들어있을 것으로 짐작하고, 이를 찾고자 하였다. 독일의 카임(Ignatius Gottfried Kaim, 1746~1778)은 1770년에 제출한 학위 논문에 연망가니즈석을 탄소와 반응시켜 망가니즈를 얻었고, 또 연망가니즈석을 과망가니즈산염으로 전환시킬 수 있음을 적었다고 한다. 그러나 그의 학위 논문을 읽은 사람이 적고, 또 논문도 얼마 후 분실되어 대부분의 사람은 카임을 망가니즈의 발견자로 간주하지 않는다.   스웨덴의 셀레(Karl Wilhelm Scheele, 1742~1786)는 1774년에 소금(NaCl)에 황산(H2SO4)을 가해 염화수소(HCl)를 얻고 이를 연망가니즈석으로 환원시켜 염소(Cl2)를 처음으로 분리∙발견 하였는데, 그는 연망가니즈석에 새로운 원소가 들어있음을 알게 되었다. 그의 동료 간(Johan Gottlieb Gahn, 1745~1818)은 곧 바로 연망가니즈석을 숯과 함께 가열하여 금속 Mn을 분리하였다. 이렇게 얻은 금속 Mn은 순도가 낮은 것이었는데, 고순도(99.9%) 망가니즈는 이보다 약 160년 뒤인 1930년대에 Mn2+ 용액을 전기분해시켜 얻었다.

 

1800년대 초반에는 철에 Mn을 첨가하여 단단하고 잘 녹 슬지 않는 강철을 만들기 시작하였으며, 1866년에는 MnO2를 양극 재료로 사용하는 르클랑셰 전지(Leclanche cell: 보통 건전지 또는 망간 전지라 불리는 아연-탄소 전지)가 발명되었다. 1912년에는 철의 부식을 방지하고 내마모성을 증가시키는 인산 망가니즈 코팅 처리법(manganese phosphating)이 개발되어 아직까지 총기류나 자동차 부품 등의 제조에 널리 사용되고 있다.

 

망가니즈 조각과 고순도 입방체(왼쪽). <출처: (CC)Alchemist-hp at Wikipedia.org>

 

 

물리적 성질 망가니즈는 단단하나 쉽게 부서지는 은색 금속이다. 금속 Mn과 대부분의 Mn 화합물은 불균일한 자기장에 끌리는 상자기성(paramagnetic)을 보인다. 녹는점은 구리나 아연보다는 높지만, 다른 3주기 전이금속들보다 낮은 1,246oC이고 끓는점은 2,060oC이다. 4가지 동소체가 있는데, 등축정계 구조를 갖는 α형(밀도 7.44 g/cm3)은 700oC에서 같은 결정구조를 갖는 β형(밀도 7.26 g/cm3)으로, β형은 1,079oC에서 면심입방구조를 하는 γ형(밀도 7.21 g/cm3)으로, 그리고 γ형은 1,143oC에서 체심입방구조의 σ형(밀도 7.21 g/cm3)으로 전이된다. α형과 β형은 단단하나 잘 부서져 성형 가공이 되지 않고, γ형은 유연하여 가공이 쉽다.   망가니즈는 거대한 초신성(supernova) 폭발 직전에 합성된 것으로 여겨진다. 천연 상태에서는 안정한 동위원소인 55Mn으로만 있다. 여러 인공 동위원소들이 합성되었는데, 그 중 반감기가 긴 것은 53Mn(반감기 370만 년), 54Mn(반감기 312.3 일), 52Mn(반감기 5.59일)이다. 53Mn는 암석에 들어있는 철에 우주선이 작용하여 극 미량 생성되는데, 53Cr으로 붕괴된다. 방사성 Mn 동위원소가 실용적으로 사용된 예는 아직 거의 없다.

 

 

화학적 성질

망가니즈는 주기율표에서 이웃하는 다른 원소들에 비해 전자를 잃는 성질(전기양성)이 크고, 따라서 반응성이 크다. 특히 불순물이 들어있으면 반응성이 더욱 커진다. 25개의 전자를 갖고 있어, 바닥 상태 전자배치는 [Ar]3d54s2이다. 산화수가 -3에서 +7에 이르는 여러 가지 산화 상태의 화합물들이 있지만 흔한 산화 상태는 +2, +3, +4, +6, +7이다. Mn2+의 이온(6 배위체) 반경은 67pm로, Mg2+의 72 pm와 비슷하여 이들 두 이온은 쉽게 서로 대체된다. 가장 안정한 상태는 +2이며, 산화수가 이보다 큰 화합물들은 강한 산화력을 보인다. 25oC 산성 용액에서 여러 망가니즈 이온들에 대한 산화-환원 반응의 표준 전위는 다음과 같다.     Mn2+ + 2e-  Mn(s)                       Eo = -1.185 V   MnO2 + 4H+ + 4e-  Mn(s) + 2H2O     Eo = 0.024 V   MnO42- + 8H+ + 4e-  Mn2+ + 4H2O    Eo = 1.742 V   MnO4- + 8H+ + 5e-  Mn2+ + 4H2O     Eo = 1.507 V

망가니즈의 전자배치. <출처: (CC)Pumbaa at Wikipedia.org>

 

망가니즈 금속이 공기 중에 노출되면, 덩어리 상태로는 천천히 산화되지만 고운 가루는 불이 붙기도 한다. 물과 반응하여 수소기체를 내어 놓으며, 묽은 산 수용액에 녹아 수소 기체를 내어놓고 Mn+2 염이 된다. 비금속 원소들과는 실온에서는 잘 반응하지 않으나, 가열하면 가끔 격렬하게 반응한다. 산소(O2), 질소(N2), 염소(Cl2), 플루오린(F2)과 반응하여 각각 Mn3O4, Mn3N2, MnCl2, MnF2가 된다. 또한 붕소(B), 탄소(C), 규소(Si), 인(P), 황(S), 비소(As)와도 직접 반응한다.

 

 

망가니즈의 생산

페로망가니즈. 철강 산업에서 망가니즈가 사용될 때는, 페로망가니즈나 실리코망가니즈의 형태로 생산해 철강에 첨가한다.

망가니즈의 90% 이상은 철강 산업에서 합금을 만드는 데 사용된다. 따라서 망가니즈 금속 자체를 생산하기 보다는 주로 페로망가니즈(ferromanganese, FeMn: 보통 65~70 %의 Mn과 15~20%의 Fe이 들어있음)나 실리코망가니즈(silicomanganese, SiMn: 보통 65~70%의 Mn과 15~20%의 Si이 들어있음) 형태로 생산해서 철강에 첨가한다. 이때 주로 쓰이는 광석은 화학적 조성이 MnO2인 연망가니즈석이다. FeMn는 적당한 비율의 연망가니즈석과 적철광(Fe2O3)을 용광로나 전기로에 넣고 코크스로 환원시켜 얻는데, 실리카(SiO2)를 슬래그로 제거하기 위해 석회석이나 백운석(dolomite)도 첨가한다. 전력 요금이 비싼 나라에서는 주로 용광로 방법을 사용한다. SiMn은 적철광대신에 실리카(SiO2)를 넣고 환원시키면 얻어진다. FeMn이나 SiMn은 보통 약간의 탄소를 포함하고 있는데, 탄소 함량에 따라 고탄소, 저탄소로 등급을 분류하기도 한다.   금속 Mn은 연망가니즈석을 구워 MnO로 만들고, 이를 황산에 녹인 용액을 전기분해시켜 얻는다. 이때 광석에 들어있던 다른 금속 이온들은 황화물(S2-의 염)로 제거한다.

 

2009년 기준으로 FeMn과 SiMn의 총 생산량은 1170만 톤이었으며, 이중 740만 톤이 SiMn이었다. 중국이 최대 생산국으로 57%인 660만 톤을 생산하였다. 광석은 3500만 톤(Mn으로 따져서 1100만 톤)이 생산되었으며, 중국(270만 톤), 남아공(190만 톤), 호주(180만 톤), 브라질(100만 톤), 가봉(95.6만 톤), 인도(84.5 만 톤) 등이 주요 생산국이다. 40% 이상의 Mn 함량을 갖는 고품위 광석의 매장량은 약 6억8000만 톤으로 추정되며 호주, 브라질, 남아공, 가봉 등에 주로 매장되어 있다.

 

 

해저 망가니즈 단괴 태평양 해저에 약 5000억 톤의 망가니즈 단괴(manganese nodule)가 있고, 매년 약 100만 톤이 새롭게 퇴적되는 것으로 추정되고 있다. 이는 암석의 풍화작용으로 망가니즈, 철, 기타 다른 금속의 산화물이 부서져서 가루가 되고 이들이 물에 씻겨 바다로 이동한 후, 해저에서 단단하게 덩어리로 굳어져서 생긴 것인데, 이 덩어리의 주 성분이 MnO2이므로 망가니즈 단괴라 부른다.   망가니즈 단괴는 영국의 해양조사선 챌린저호(HMS Challenger)의 해양탐사(1872~1876)에서 처음으로 그 존재가 알려졌으며, 1957년의 태평양 탐사에서 그 규모가 밝혀졌다. 망가니즈 단괴의 Mn 함량은 건조 무게의 15~30%로, 현재 상업적으로 이용 가치가 있는 것으로 여겨지는 광석의 최소 함량 35%보다 낮다. 이러한 낮은 Mn 함량 이외에도, 해저 망가니즈 단괴의 채굴에는 많은 기술적, 법적, 국제 정치적 문제가 있어 1970년대에 해저 개발이 포기되었다. 그러나 이들 단괴에는 Mn이외에도 주요 금속인 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu) 등이 들어 있어, 언젠가는 다시 관심을 갖게 될 것이다.

 

망가니즈 단괴. 태평양 해저에는 약 5000억톤의 망가니즈 단괴가 있으나, 현재는 개발의 경제성이 없다. <출처: USGS>

 

 

망가니즈의 이용 거의 모든 강철에는 Mn이 들어간다. 강철에서 Mn은 두 가지 역할을 하는데, 하나는 황(S)과 결합하여 MnS로 만들어 슬래그로 제거시킴으로써 강철의 부서짐 성질의 요인인 FeS의 형성을 막고, 또 냉연강(cold steel)에서 산소와 MnO를 만들어 기포나 미세 구멍이 생기는 것을 막는 것이다. 다른 하나는 Mn이 강철의 강도를 높이는 것이다. Mn이 들어간 강철은 Mn 함량에 따라 저망가니즈강(1~2% Mn을 함유한 강철)과 고망가니즈강(10~14% Mn을 함유한 강철)으로 나누는데, 저망가니즈강은 기계적 성질과 전성이 탄소강보다 뛰어나 구조체를 만드는 데 많이 사용되고, 고망가니즈강은 담금질을 하면 내마모성이 크게 향상되어 광산 및 토목 기계, 철도레일, 장갑판, 무한궤도(caterpillar), 헬멧 등을 만드는 데 사용된다. 고망가니즈강은 이의 발견자인 해드필드(Robert A. Hadfield, 1858~1940)경의 이름을 따서 해드필드강이라고도 한다. 한편, Mn은 다른 철 합금 재료인 니켈(Ni)이나 크로뮴(Cr)에 비해 값이 싼 장점도 있다.   철 합금만큼 많이 사용되지는 않으나, 비철 금속과의 합금에도 Mn이 사용된다. 이의 한 예가 망가닌(manganin: 구리(Cu) 84%, Mn 12%, 니켈(Ni) 4%로 이루어진 합금)인데, 이 합금은 온도에 따라 전기 저항이 거의 변하지 않기 때문에 표준 저항용으로 사용되며, 여러 가지 전기 기계에 사용된다. 또한 항공기 구조체, 트럭 휠 등에 사용되는 두랄루민(duralumin)이라 불리는 알루미늄 합금에도 미량의 Mn이 들어있으며, 내부식성이 좋아 음료수 캔으로 많이 사용되는 알루미늄 합금에도 0.8~1.5%의 Mn이 들어간다.   미국에서 동전을 만드는 합금에도 Mn이 들어있다. 5센트 동전 ‘니켈(nickel)’은 원래 75% 구리와 25% 니켈로 된 합금이었는데, 제2차 세계 대전 때 니켈이 귀해지자 니켈 대신에 은(Ag)과 Mn을 사용하여 56% Cu, 35% Ag, 9% Mn으로 된 합금으로 대체되었다. 현재 사용되는 1 달러 동전에도 Mn 합금이 쓰이고 있는데, 7% Mn을 함유한 황동을 Cu에 입혀 동전을 만든다. 이 동전은 이전의 Cu/Ni 동전과 전기적 성질이 같아 자판기가 같이 인식하도록 만들어 졌다.

 

고망가니즈강은 담금질을 하면 내마모성이 크게 향상되어, 철도레일(왼쪽, 출처:sxc.hu), 무한궤도(오른쪽) 등을 만드는데 사용된다.

 

 

화합물과 이들의 이용 여러 가지 Mn 화합물들이 요긴하게 사용되는데, 가장 중요한 것이 MnO2이다. 천연 MnO2(연망가니즈석)은 고대부터 그림을 그리는 안료와 유리에서 색을 없애는 물질로 사용되어 왔다. 천연 MnO2에는 불순물들이 들어있고, 상당량의 Mn이 +3의 산화상태로 있기 때문에 현재 사용되는 MnO2는 대부분 화학적 방법이나 전기분해법을 통해 얻는 합성 MnO2이다.   화학 MnO2(Chemical manganese dioxide: CMD)를 얻는 한 가지 방법은 천연 MnO2를 사산화이질소(N2O4)로 환원시켜 Mn(NO3)2를 만들고, 이를 다시 MnO2와 N2O4로 분해시키는 것이다. 전해 MnO2(Electrolytic manganese dioxide: EMD)는 MnSO4 용액을 낮은 pH에서 전기분해시킬 때 환원전극에서 얻어진다. 주로 건전지(알칼리 전지 포함)의 양극 물질로 사용되는데, 그 양은 연간 약 50 만 톤으로 추정된다. 전지에서의 양극 반응은 다음과 같다.   MnO2 + H2O + e- → MnO(OH) + OH-   MnO2는 화학반응에서 산화제로도 많이 이용되는데, HCl를 산화시켜 Cl2을 얻는 반응, 알릴 알코올을 산화시켜 알데하이드를 얻는 반응 등이 그 예이다.   4HCl + MnO2 → MnCl2+ Cl2 + 2H2O RCH=CHCH2OH + MnO2 → RCH=CHCHO + MnO + H2O

 

MnO2는 촉매로도 사용되는데 과산화수소(H2O2)나 염소산염(예로 KClO3)을 분해시켜 산소를 얻을 때 사용된다. 이외에 MnO2는 유리 제조에도 쓰이는데, 낮은 농도로 첨가하여 유리를 탈색시키거나 높은 농도로 첨가하여 보라색 유리를 만드는 데 사용된다. 또한 도자기와 페인트의 안료로도 이용된다.   또 다른 중요한 Mn 화합물로는 화학에서 강한 산화제로 많이 사용되는 과망가니즈산염(permanganate, MnO4-의 염, Mn의 산화수는 +7)이 있다. 이는 MnCl2 또는 MnSO4 용액을 아주 강력한 산화제인 PbO2나 NaClO로 산화시켜 얻을 수 있다. 상업적으로는 보통 MnO2를 알칼리와 용융, 산화시켜 망가니즈산염(MnO42-의 염, Mn의 산화수는 +6)을 얻고, 이를 물로 처리하여 얻는다.

MnO2는, 낮은 농도로 첨가하여 유리를 탈색시키거나 높은 농도로 첨가하여 보라색 유리를 만드는 데 사용된다. <출처: keyshistory.org>

 

2MnO2 + 4KOH + O2 → 2K2MnO4 + 2H2O 2K2MnO4 + 2H2O → 2KMnO4 + 2KOH + H2   연간 수천 톤의 과망가니즈산 포타슘(과망간산 칼륨, KMnO4)이 생산되어 화학실험에서의 산화-환원 적정이나, 화학 공업에서의 사카린과 벤조산 제조 등에서 산화제로 사용된다. 또한 염소를 대체하여 물의 살균 소독과 정제에도 사용되기도 한다.   이 밖에도 여러 가지 Mn화합물들이 유용하게 이용된다. MnCl2는 동물 사료와 비료 첨가제로 사용된다. 삼카르보닐메틸사이클로펜타다이에닐 망가니즈(Methylcyclopentadienyl manganese tricarbonyl(MMT), (CH3C5H4)Mn(CO)3)는 1950년대 후반부터 옥탄가를 높이는 휘발유 첨가제로 사용되었는데, 안전 문제로 미국과 캐나다에서는 사용이 금지되었으나 다른 여러 나라에서 여전히 사용되고 있다. 또한 여러 Mn 화합물들이 벽돌, 섬유, 유리, 도자기, 페인트, 잉크 등에 첨가되어 분홍색, 보라색, 붉은색, 노란색, 갈색 등을 내는 데 사용되는데 화합물의 종류와 산화 상태에 따라 독특한 색을 낸다.

 

 

생물학적 역할과 독성

망가니즈는 녹색 식물의 광합성 과정에서 물의 광산화로 산소를 발생시키는데 필요하므로 비료에 첨가된다.

망가니즈는 모든 생물체에 필수적인 미량 영양소이다. Mn은 생체 내에서 산화-환원, 전달, 분해, 연결, 이성질화 등 여러 유형의 생체내 반응을 촉매하는 효소들의 보조인자로 작용한다. 예로, 아미노산의 일종인 L-아르지닌을 분해하는 데 관여하는 효소, 디프테리아 독소, 과산화물제거효소(SOD) 등이 잘 알려진 Mn을 포함하는 단백질들이다. 식물에서는 광합성 과정에서 물을 광산화시켜 산소를 발생시키는 데 관여하는 복합체의 작용에 Mn이 필요하므로, 대부분의 복합 비료에는 Mn염이 들어있다. 세포의 재생, 면역 기능, 뼈의 형성, 갑상성 호르몬의 분비에도 Mn이 중요한 기능을 하는 것으로 여겨진다. 또한 Mn은 신경 계통에 관여하여 근육의 기능을 조절하고, 인슐린과 함께 혈당의 조절에 관여하는 것으로 알려져 있다.   사람의 몸에는 약 12mg의 Mn이 뼈, 근육, 간, 신장 등에 농축되어 있다. 음식물로 섭취된 Mn은 극히 일부만 장에서 섭취∙흡수되고, 흡수된 Mn은 변으로 배출됨으로써 체내의 Mn 량이 조절된다. Mn이 들어있지 않은 음식만을 먹거나 신체에 이상이 있으면, 체내 Mn의 양이 적어지고 이는 관절 질환, 골다공증 등을 유발할 수 있다. 반면 Mn이 과잉으로 있게 되면, 신경 장애, 면역 기능 장애, 간 손상 등이 나타날 수 있다. 우리나라 성인의 1일 Mn 섭취 충분량은 남자는 3.5mg, 여자는 3.0 mg인데, 독성이 있기 때문에 섭취 상한량을 11mg으로 권장하고 있다. 여러 식품에 Mn이 들어 있고 또 신체가 이의 양을 조절하기 때문에, 정상적인 식생활을 하는 건강한 사람에게는 체내 Mn 결핍이나 과다에 의한 증상은 거의 나타나지 않는다.

 

망가니즈 화합물은 니켈이나 구리 화합물에 비해 독성이 적지만, Mn이 많이 포함된 먼지나 증기에 노출되면 신경계 손상을 입을 수 있고, 이런 손상은 가끔 치유가 되지 않기도 한다. Mn 중독 증상은 졸음, 피곤함, 정서 불안, 심지어는 마비로 나타난다. 망가니즈 광산 노동자들에게서 나타나는 일종의 파킨슨병이 Mn 중독과 연관된다는 것이 1837년에 보고되었다. Mn의 산화 상태가 +7인 과망가니즈산염은 산화력이 강하기 때문에 Mn2+ 화합물에 비해 독성이 더 큰데, 이는 6가 크로뮴(Cr)이 독성이 큰 것과 같은 이유이다.

 

 

1. 망가니즈/망간

   원자번호 25번 원소(Mn)의 IUPAC(International Union of Pure and Applied Chemistry, 국제 순수ㆍ응용화학 연합) 이름은 ‘manganese’며, 독일어 이름은 ‘mangan’이다. 그동안 우리나라에서는 독일어 이름을 따서 망간이라 불렸는데, 2007년부터 화학 원소의 독일어 이름을 모두 IUPAC 이름으로 바꾸어 부르기로 결정함에 따라 현재의 공식적 우리말 이름은 망가니즈이다.

2. 수치로 보는 망가니즈

   망가니즈의 표준원자량은 54.938g/mol이다. 원자의 바닥 상태 전자배치는 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s² ([Ar]3d⁵4s²)이고, 화합물에서 주된 산화 수는 +7, +4, +2이며, +2 상태가 가장 안정하다. 지각에서의 존재 비는 약 1000ppm (0.1%)이다. 1기압에서 녹는점은 1,246^oC이고 끓는점은 2,060^oC이다. 온도에 따라 안정도가 다른 4 가지 동소체가 있으며, 이들의 20^oC에서 밀도는 7.21~7.44g/cm³ 범위에 있다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 이온화 에너지는 각각 717.3, 1,509.0, 3,248kJ/mol 이며, 폴링의 전기음성도는 1.55로 이웃하는 다른 원소들보다 작다. 원자 반경은 127pm이고, Mn²⁺ 이온(6 배위체)의 반경은 67pm(비교, Mg²⁺는 72pm)이다. 천연 동위원소는 ⁵⁵Mn 뿐이며, 이는 안정하다. 전세계 고품위(Mn 함량이 40% 이상) 광석 매장량은 약 6억 8000만 톤, 연간 생산량은 약 3,500만 톤으로 추정되고, 해저 망가니즈 단괴의 양은 약 5,000억 톤으로 추정된다.

 

 

 

글 박준우 / 이화여대 명예교수(화학)

서울대학교 화학과를 졸업하고 템플대학교에서 박사학위를 받았다. 오랫동안 이화여대에서 화학을 연구하고 가르쳤다. 저서로 [인간과 사회와 함께한 과학기술 발전의 발자취]와 [아나스타스가 들려주는 녹색화학 이야기] 등이 있고, 역서로 [젊은 과학도에 드리는 조언] 등이 있다.

발행일  2012.02.15

Manganese

Atomic Weight		54.938049
Density		7.47 g/cm3
Melting Point		1246 °C
Boiling Point		2061 °C
Full technical data

These rough slabs are created by electroplating manganese out of a solution until enough metal builds up to break off. The bumpy surface occurs naturally as the current finds the path of least resistance.

Technical data for Manganese Click any property name to see plots of that property for all the elements. Overview Name Manganese Symbol Mn Atomic Number 25 Atomic Weight 54.938049 Density 7.47 g/cm3 Melting Point 1246 °C Boiling Point 2061 °C Thermal properties Phase Solid Melting Point 1246 °C Boiling Point 2061 °C Absolute Melting Point 1519 K Absolute Boiling Point 2334 K Critical Pressure N/A Critical Temperature N/A Heat of Fusion 13.2 kJ/mol Heat of Vaporization 220 kJ/mol Heat of Combustion N/A Specific Heat 479 J/(kg K)[note] Adiabatic Index N/A Neel Point 100 K Thermal Conductivity 7.8 W/(m K) Thermal Expansion 0.0000217 K-1 Bulk physical properties Density 7.47 g/cm3 Density (Liquid) 5.95 g/cm3 Molar Volume 7.3545×10-6 Brinell Hardness 196 MPa Mohs Hardness 6 MPa Vickers Hardness N/A Bulk Modulus 120 GPa Shear Modulus N/A Young Modulus 198 GPa Poisson Ratio N/A Refractive Index N/A Speed of Sound 5150 m/s Thermal Conductivity 7.8 W/(m K) Thermal Expansion 0.0000217 K-1 Reactivity Valence 4 Electronegativity 1.55 ElectronAffinity 0 kJ/mol Ionization Energies 717.3, 1509, 3248, 4940, 6990, 9220, 1.15×104, 18770, 2.14×104, 23960, 27590, 30330, 33150, 38880, 41987, 109480, 1.181×105, 1.271×105, 1.386×105, 1.485×105, 1.586×105 kJ/mol Health and Safety Autoignition Point N/A Flashpoint N/A Heat of Combustion N/A DOT Hazard Class 4.1 DOT Numbers 3089 EU Number N/A NFPA Fire Rating N/A NFPA Hazards N/A NFPA Health Rating N/A NFPA Reactivity Rating N/A RTECS Number N/A NFPA Label N/A Classifications Alternate Names None Names of Allotropes None Block d Group 7 Period 4 Electron Configuration [Ar]3d54s2 Color Silver Discovery 1774 in Sweden Gas phase N/A CAS Number CAS7439-96-5 CID Number CID23930 Gmelin Number N/A NSC Number N/A RTECS Number N/A Electrical properties Electrical Type Conductor Electrical Conductivity 6.2×105 S/m Resistivity 1.6×10-6 m Ω Superconducting Point N/A Magnetic properties Magnetic Type Paramagnetic Curie Point N/A Mass Magnetic Susceptibility 1.21×10-7 Molar Magnetic Susceptibility 6.6475×10-9 Volume Magnetic Susceptibility 0.00090387 Abundances % in Universe 0.0008% % in Sun 0.001% % in Meteorites 0.27% % in Earth's Crust 0.11% % in Oceans 2×10-7% % in Humans 0.00002% Atomic dimensions and structure Atomic Radius 161 pm Covalent Radius 139 pm Van der Waals Radius N/A Crystal Structure Body Centered Cubic Lattice Angles π/2, π/2, π/2 Lattice Constants 891.25, 891.25, 891.25 pm Space Group Name I_ 43m Space Group Number 217 Nuclear Properties Half-Life Stable Lifetime Stable Decay Mode N/A Quantum Numbers 6S5/2 Neutron Cross Section 13.3 Neutron Mass Absorption 0.0083 Known Isotopes 44Mn, 45Mn, 46Mn, 47Mn, 48Mn, 49Mn, 50Mn, 51Mn, 52Mn, 53Mn, 54Mn, 55Mn, 56Mn, 57Mn, 58Mn, 59Mn, 60Mn, 61Mn, 62Mn, 63Mn, 64Mn, 65Mn, 66Mn, 67Mn, 68Mn, 69Mn Stable Isotopes 55Mn Isotopic Abundances 55Mn 100%

Notes on the properties of Manganese:

Specific Heat: Value given for solid phase.

Up to date, curated data provided by Mathematica's ElementData function from Wolfram Research, Inc.