自然资源科普与文化, 2022, 0(4): 16-19 doi:

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锰:低调的黑色金属

文图/赵民

作者单位/中国地质调查局西安地质调查中心

责任编辑: 张佳楠

基金资助: 本文由中国地质调查局“西昆仑大红柳滩—甜水海地区大型矿产资源基地综合调查”.  DD20190143
“西北地区铜镍稀有金属等矿产地质调查”项目联合资助.  DD20221691

作者简介 About authors

赵民,高级工程师,长期从事矿产地质调查与构造地质研究。

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文图/赵民. 锰:低调的黑色金属. 自然资源科普与文化[J], 2022, 0(4): 16-19 doi:

锰,黑色金属家族中重要成员之一。但在18世纪70年代之前,人们对锰还知之甚少。1770年,瑞典乌普萨拉大学的化学教授托伯恩·奥洛夫·伯格曼将软锰矿从石灰和白镁矿中分离出来,并将其描述为一种新金属的矿灰。后来他的朋友卡尔·威廉·舍勒经过3年研究,确定软锰矿为一种新金属的氧化物,他将这种新金属命名为锰(Manganese)。1774年,伯格曼的助手约翰·戈特利布·甘恩用提纯后的软锰矿粉和木炭在坩埚中加热一小时,最终分离出纯的金属锰,才得到如今我们所熟知的锰。

锰无论是在自然界还是在日常生活中,无处不在,只是因为它常常变幻身形,故而很容易被忽视。

低调生冷 其貌不扬

锰,元素符号为Mn,元素周期表中原子序数为25,属于过渡金属。纯净的金属锰为银白色,坚硬而脆,因其金属性质活泼,故而暴露在空气中的锰常被氧化生成褐色的氧化物覆盖层,如果是在升温条件下,锰常氧化形成层状氧化锈皮,最外层为棕黑色四氧化三锰。明明有着鲜亮金属色的锰,却隐藏锋芒,甘于成为黑色金属家族一员,可谓深藏若虚。

多种形态 隐于自然

锰以各种形态隐匿于自然界中,无论是组成广袤大陆的各种岩石,还是茫茫无垠的大海深处,均有锰的身影。不过大部分只是小有名气,能叫得上名号的当数“软锰矿”“硬锰矿”和“深海锰结核”了。虽然他们形态各异,百般变化,但它们因锰本尊而身价不菲,备受关注。

软锰矿·硬锰矿

软锰矿颜色为钢灰色至黑色,具有金属光泽,一般为块状、肾状或松散土状,有时具有放射纤维状形态,具有较强的辨识度。名字虽为软锰矿,实际上并不“软”,结晶较好的软锰矿硬度与小刀硬度接近,即使结晶不好,硬度也与我们的指甲相当。

还有一种软锰矿常呈现出一种树枝状附于岩石表面,形似化石,人们称之为假化石。称其为假化石是因为它只是形似树枝,仔细观察会发现它缺少植物应有的结构,其实它是含氧化锰的溶液沿着岩石中的裂缝渗透沉淀而成。

硬锰矿颜色多为黑色,通常为钟乳状、肾状、葡萄状集合体,也有的为树枝状、致密块状集合体,其硬度与结晶较好的软锰矿相当。

深海锰结核

锰存在于自然界中不可忽视的另一重要身份应该就是“深海锰结核”了。

早在1873年,英国调查船“挑战者号”在非洲西北加那利群岛的外洋进行全球海洋考察时,从海底采上来一些土豆大小深褐色的物体,经化验分析,这些团块主要由锰、铁、镍、铜、钴等多金属的化合物组成,其中以氧化锰含量最高;团块内部常以岩石碎屑,动、植物残骸的细小颗粒为核心,呈同心圆状一层一层向外生长,像一块切开的洋葱头,人们称其为 “锰结核”。自此100多年后,在太平洋,尤其是北太平洋海底发现了大量锰结核的身影。

> 放射状软锰矿


> 树枝状软锰矿


> “蛟龙”号载人潜水器在南海 “蛟龙海山”发现锰结核


锰结核何以能在大洋洋盆深2 000~6 000米的海底现身,目前科学家还正在研究,仍存在诸多疑问。一般认为是沉降于海底的各种金属氧化物,以带极性的分子形式,在电子引力作用下,以其他物体的细小颗粒为核,不断聚集而成。

目前,全球深海锰结核总储量在3万亿吨以上。更为重要的是这种锰结核能够自我生长,平均每千年长1毫米。可别小看这1毫米,有科学家以此生长速度对太平洋海底锰结核进行了估算:太平洋中每年将新生成1 000万吨锰结核,如果从中提炼铜可供全世界用3年,提炼钴可用4年,提炼镍可以用1年。这种自我生长的特性使其“取之不尽,用之不竭”,摇身一变成为深海中的“宝贝疙瘩”。

史前壁画 诉说远古

在锰被正名之前,它曾以一种颜料的形式帮助人们传达思想、记录文明,多见于史前壁画中,这应该是锰初露锋芒、展露才华的最早记录了。

史前壁画是迄今为止人类发现最早的绘画作品,大约出现在旧石器时代晚期。这些绘于洞窟里的壁画多以动物形象为主,尤以阿尔塔米拉岩洞和拉斯科岩洞的壁画最具价值。

说起阿尔塔米拉岩洞,还有个小故事。公元1879年,西班牙一位考古学家带着自己的小女儿来到阿尔塔米拉山洞,在这位父亲埋头寻找化石时,活泼好动的女儿对岩洞充满好奇,四处张望,忽然被岩洞顶上栩栩如生的公牛吓得发出一声惊叫,父亲急忙赶来,竟发现洞顶和洞壁上布满了动物绘画,有野牛、野马、野山羊和鹿,还有一些古人的手形和一些至今没能破译的符号。这些岩画大多为彩色,主色调是赭红色和黑色,也有少量的黄色和紫色,色彩艳丽,形象逼真。阿尔塔米拉洞窟这些岩画是距今1万多年前旧石器时代晚期人类留下的遗迹,是人类发展史上最具代表性的艺术瑰宝。1985年,该洞窟被列入世界遗产名录,岩画中黑色颜料经分析,其主要成分就是二氧化锰。

人类生活 息息相关

特种材料——锰钢

全球的锰约90%用于钢铁工业,锰在钢铁工业中的地位可见一斑。由于锰自身特性,如纯净的金属锰比铁稍软且脆,潮湿处会氧化,一般不会让其“单打独斗”,主要是作为钢合金的添加剂,以提高钢的强度、硬度、弹性极限、耐磨性和耐腐蚀性等,即所谓的“无锰不成钢”。这种锰钢非常坚韧,常用于铁轨、土方机械、保险柜、军盔、枪管等的生产。

坐落于上海市中心的文化广场观众厅网架结构的屋顶,就是由几千根锰钢钢管焊接而成,在纵76米、横138米的扇形大厅里,中间没有一根柱子。由于用锰钢作为结构材料,非常结实,而且用料较其他钢材更为节省,平均每平方米的屋顶只用45千克锰钢。

> 西班牙阿尔塔米拉洞窟岩画——受伤的野牛


便捷式电源——干电池

干电池是一种以糊状电解液来产生直流电的化学电池。常见的有普通锌—锰干电池、碱性锌—锰干电池、镁—锰干电池、锂—锰干电池,等等。它们的共同点就是二氧化锰充当其正极的活性物质,随时随地满足人们对电能的需要。由于干电池电解液为糊状,不会溢漏,便于携带,因此获得了广泛应用。干电池不仅适用于手表、剃须刀、电动玩具、掌上电脑、摄像机、数码相机、通信设备、遥控车门锁等便携式电子设备,而且适用于国防、科研、电信、航海、航空、医学等国民经济中的各个领域。随着科学技术的发展,干电池已经发展成为一个大的家族,到目前为止,已经约有100种。而锰在干电池家族的发展壮大中,发挥着不可替代的作用。

> 锂—锰干电池


借物抒怀——桃花玉

桃花玉,又称桃花石、玫瑰石,是一种含锰的硅酸盐矿物(蔷薇辉石),微透明,富有玻璃光泽。桃花玉的石质细腻,因其中有锰的存在而呈现浅粉红至玫瑰红等特征,色彩斑斓,纹理清晰,可与彩玉石媲美,颇具观赏价值。

展望未来 前途无量

2020年,我国宣布力争2030年前达到二氧化碳排放量峰值,并力争2060年前实现碳中和。中锰钢是近年来出现的新型钢铁材料,因为其优异的力学性能被认为是第三代汽车用钢。中锰钢作为一种先进轻质高强钢,主要应用于汽车结构件、安全件和加强件,这为汽车轻量化提供了更多潜力,并使汽车降低能耗减少排放成为可能。所以,大量开发应用先进锰钢不仅为汽车轻量化带来显著效果,也对整体碳达峰和碳中和战略目标的实现具有现实意义。

随着科学技术的快速发展,锰在其他方面也成就斐然。例如,在电子工业中,用锰锌铁氧体磁芯制成的各种电感器件、变压器、线圈等,在通信设备、家电产品、工业自动化设备等方面得到广泛应用;在环保方面,锰可以应用到污水、废气的处理,以及天然饮用水的净化中;在农业生产中被用作化肥添加剂、杀菌剂,等等。当然,锰的特性还有很多,应用天地还非常广阔。相信在不久的将来,伴随科学技术的进步,锰会以更加多元的姿态呈现于我们生活中的方方面面。

> 上海文化广场


参考文献

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