锰,元素符号Mn,原子序数25,是一种灰白色、质坚而脆、有光泽的黑色金属。它广泛存在于自然界中,与我们的生活息息相关,但在我们的生活中却并不常见,这是为什么呢?那是因为锰在自然界中均以元素的形式存在于化合物之中,人类是无法通过肉眼直观的看到它的存在,需要借助于光学显微镜去观察。那这些锰元素都存在于自然界的哪些物质中呢?比如软锰矿和硬锰矿,其中含有大量锰元素;我们日常吃的谷类、坚果类、叶菜类、肉类和奶类等中都含有少量锰元素;人和动物体内也含有微量的锰元素,是人和动物组织的成分之一,而且是人和动物体内必需的微量元素之一。
锰是怎样被人类发现的呢?早在很久以前,锰的氧化矿物(软锰矿)就被古人知悉和利用,但是,在18世纪70年代以前,西方化学家们仍认为软锰矿是含锡、锌和钴等的矿物。直到18世纪后半叶,瑞典化学家T.O.伯格曼研究了软锰矿,认为它是一种新的金属氧化物。之后,她曾多种方法试图分离出这个金属,但都没有成功。瑞典著名化学家舍勒也同样没有从软锰矿中提取出金属,便求助于他的好友伯格曼的助手—甘恩。在1774年,甘恩用软锰矿和木炭在坩埚中共热,分离出了一纽扣大小的锰粒,伯格曼将它命名为manganese(锰)。它的拉丁名称manganum和元素符号Mn便是由此而来。
锰矿石
既然古人很早就用到了锰矿石,那么锰矿在中国的储量和分布是怎样的呢?根据《国家矿产资源报告(2020)》数据显示,截至2019年底,全国锰矿新增矿产资源为1亿吨,相比2018年全国锰矿新增矿产资源0.7亿吨增长了42.9%。其中贵州、广西、湖南、云南、重庆等省区是锰矿主要的储存地,贵州和广西储量最多,湖南、云南和重庆次之。根据贵州省自然资源厅公布的数据显示,截止2019年底,贵州省锰矿保有资源储量为8.35亿吨,相比2018年7.57亿吨处于增长趋势,且增长量在全国排名第一。能有这样好的成果主要归功于贵州省内的4个超大型锰矿床(矿资源储量大于1亿吨),使它们提升了贵州省锰矿储量的整体实力。它们分别是松桃普觉(西溪堡) 超大型锰矿床、松桃道坨超大型锰矿床、松桃高地超大型锰矿床和松桃桃子坪超大型锰矿床,其中松桃普觉(西溪堡) 超大型锰矿床资源量达2.03亿吨,位居亚洲第一。
松桃道坨超大型锰矿床开采场景
锰作为重要的矿产资源,它是怎么形成的呢?它是在动荡、贫氧、深水的环境中,黑色页岩吸附海底热液中及少量的陆源成矿物质(有机作用)形成矿源层,而后通过菌藻生物作用(因具球状结构而推测)使锰富集成矿。
锰在物理方面的性质很像铁,但比铁要软一些。如果锰中含有少量的杂质—碳或硅,它便会变得既坚硬又很脆。不过,纯净的金属锰的用途并不太广泛,那是因为在潮湿的空气中,它会生锈,且比铁还容易,没多久表面便会生成了一层氧化锰薄膜而变得灰蒙蒙的,从而失去光泽。但这并不影响锰在现代化钢铁制造业首屈一指的重要地位。由于钢铁在炼制过程中含有很多杂质,会降低钢铁的性能,以锰作为化渣剂、脱氧剂、脱硫剂和合金元素,可以去除钢铁在冶炼过程中的有害杂质,改善钢铁冶炼的操作和加工,提高钢铁的质量和性能。比如说锰钢,它的脾气就十分的古怪而有趣:如果在炼钢过程中加入2.5%-3.5%的锰,那么所制得的低锰钢会像玻璃一样一敲即碎。但是,如果加入13%以上的锰,制成的高锰钢,就会变得和低锰钢的性质相反,既坚硬又富有韧性。当高锰钢加热到淡橙色时,它又会变得十分柔软,很容易进行各种加工和改造。另外一方面,它不含磁性,磁铁无法对它产生吸引。现在,人们大量用锰钢制造各种耐磨损的机械构件,比如:钢磨、滚珠轴承、掘土机的铲斗、铁轨、桥梁等。在军事上,高锰钢可用于制造钢盔、坦克防护钢甲、穿甲弹的弹头等。锰在其他方面的用途也有很多,比如在有色冶金工业上,与铜、铝、镁生成许多有工业价值的合金,提高这些合金的强度、耐磨性和耐腐蚀性。在电池工业上,制造的锌-锰电池,使用方便,价格低廉,至今仍是电池中使用最广,产值、产量最大的一种电池。在电子工业上,用锰锌铁氧体磁芯制成的各种电感器件、变压器、线圈、扼流圈等,提高电子产品的性能。在农业上,用锰制成植物化肥、杀菌剂和饲料添加剂等,改善植物的生长环境以及生长状态。在环保方面上,锰可以应用到污水、废气的处理以及天然饮用水的净化中,改善环境质量。在医学领域上,锰主要用作消毒剂、制药氧化剂、催化剂等。
虽然锰的用途都很广泛,为人类的生活做出了很多贡献,但它并不是百利而无一害的。如果长期吸入含锰深度较高的锰烟及锰尘,会导致职业性慢性锰中毒,多见于锰铁冶炼、电焊条的制造与电焊作业以及锰矿石的开采、粉碎或干电池生产等作业的工人。职业性慢性锰中毒是以神经系统改变为主的疾病,早期表现为神经衰弱综合征和植物神经功能紊乱。中毒较明显时,出现锥体外系损害,并可伴有精神症状。严重时可表现为帕金森氏综合症和中毒性精神病。如果被确诊为慢性锰中毒时,我们应该怎样应对呢?首先应脱离锰作业,然后到医院进行驱锰治疗,直至康复。看到这些或许你会问,我们每天的饮食中都含有锰,那我们是不是很容易患慢性锰中毒呢?答案是否定的,因为人类正常的饮食所摄入的锰元素非常的少,而且人体对锰元素的吸收率也不高,比如像非精制的谷类食物,绿叶蔬菜和茶,锰元素的通常摄入量为每天2~5mg,吸收率仅为5%~10%,所以我们不用担心正常饮食会导致锰中毒。
(贵州省地质博物馆王军义)