Mangan là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu về Mangan

Mangan (Mn) là một nguyên tố hóa học thuộc nhóm kim loại chuyển tiếp, có số hiệu nguyên tử 25 và khối lượng nguyên tử khoảng 54,94 u. Ở điều kiện thường, mangan xuất hiện dưới dạng kim loại màu xám bạc, giòn, dễ oxy hóa khi tiếp xúc với không khí. Trong vỏ Trái Đất, mangan chiếm khoảng 0,1% khối lượng, một tỷ lệ đáng kể so với nhiều nguyên tố hiếm khác, giúp mangan trở thành nguồn tài nguyên quan trọng cho ngành công nghiệp và nông nghiệp.

Mangan được xem là một khoáng sản chiến lược vì vai trò không thể thay thế trong sản xuất thép và hợp kim. Theo US Geological Survey (USGS), không có chất thay thế hoàn hảo cho mangan trong luyện kim, điều này khiến mangan trở thành yếu tố then chốt trong chuỗi cung ứng toàn cầu. Ngoài ra, mangan cũng có mặt trong nhiều sản phẩm tiêu dùng như pin, thủy tinh, gốm và vật liệu điện tử, mở rộng giá trị kinh tế của nguyên tố này.

Không chỉ quan trọng trong lĩnh vực công nghiệp, mangan còn có vai trò thiết yếu trong sinh học. Là một nguyên tố vi lượng, mangan tham gia vào nhiều phản ứng enzym trong cơ thể con người, ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất, hình thành xương và bảo vệ tế bào khỏi stress oxy hóa. Sự cân bằng hợp lý giữa mangan trong môi trường, công nghiệp và sinh học là một yếu tố quan trọng để phát triển bền vững.

Tính chất hóa lý

Mangan là một kim loại giòn, dễ vỡ, có bề ngoài sáng bạc. Nhiệt độ nóng chảy của mangan là 1246°C và điểm sôi 2061°C. Khối lượng riêng đạt 7,21 g/cm³, thấp hơn so với sắt (7,87 g/cm³) nhưng cao hơn so với nhôm (2,7 g/cm³). Mangan tồn tại trong nhiều trạng thái oxy hóa từ +2 đến +7, trong đó phổ biến nhất là Mn²⁺, Mn³⁺ và Mn⁴⁺. Các trạng thái oxy hóa cao hơn như Mn⁷⁺ có tính oxy hóa mạnh, thường xuất hiện trong hợp chất kali permanganat (KMnO₄).

Một trong những đặc tính nổi bật của mangan là khả năng tham gia vào các phản ứng oxy hóa – khử đa dạng. Mangan oxit (MnO₂) là chất rắn màu đen, có tính oxy hóa mạnh, được ứng dụng trong pin kiềm và pin khô như một thành phần điện cực. Khả năng thay đổi trạng thái oxy hóa linh hoạt khiến mangan trở thành nguyên tố quan trọng trong các quá trình điện hóa và hóa học môi trường.

Sự thay đổi trạng thái oxy hóa của mangan có thể được mô tả bởi phương trình khử – oxy hóa:

$Mn^{2+} \rightarrow Mn^{7+} + 5e^{-}$

Các hợp chất mangan có tính chất vật lý và hóa học phong phú. MnO₂ không tan trong nước, đóng vai trò chất xúc tác, trong khi MnSO₄ tan tốt trong nước và thường được sử dụng làm phân bón vi lượng. Hợp chất KMnO₄ có màu tím đặc trưng, ứng dụng trong y học và xử lý nước nhờ khả năng oxy hóa mạnh.

• Điểm nóng chảy: 1246°C
• Điểm sôi: 2061°C
• Tỷ trọng: 7,21 g/cm³
• Trạng thái oxy hóa: +2, +3, +4, +6, +7

Hợp chất mangan	Công thức	Ứng dụng
Mangan dioxide	MnO₂	Pin khô, pin kiềm, xúc tác
Mangan sulfate	MnSO₄	Phân bón vi lượng, công nghiệp hóa chất
Kali permanganat	KMnO₄	Xử lý nước, y tế, thuốc khử trùng

Nguồn gốc và phân bố trong tự nhiên

Mangan thường không tồn tại dưới dạng kim loại tự do mà gắn với các khoáng vật. Khoáng mangan quan trọng nhất là pyrolusite (MnO₂), chiếm phần lớn sản lượng khai thác thương mại. Ngoài ra, rhodochrosite (MnCO₃) và manganite (MnO(OH)) cũng là nguồn quan trọng. Các khoáng vật này thường được tìm thấy cùng với quặng sắt, do đó quá trình khai thác mangan thường gắn liền với khai thác sắt.

Trữ lượng mangan trên thế giới tập trung chủ yếu tại Nam Phi, chiếm khoảng 30% tổng trữ lượng toàn cầu. Các mỏ lớn khác nằm ở Ukraine, Brazil, Úc và Ấn Độ. Trữ lượng mangan toàn cầu ước tính hàng tỷ tấn, đảm bảo nhu cầu công nghiệp trong nhiều thập kỷ tới. Sự phân bố mangan không đồng đều khiến một số quốc gia phụ thuộc vào nhập khẩu để đáp ứng nhu cầu trong sản xuất thép và pin.

Mangan cũng hiện diện trong các nốt đa kim dưới đáy biển, cùng với coban, niken và đồng. Nguồn tài nguyên này có tiềm năng lớn, song việc khai thác còn hạn chế do chi phí cao và rủi ro môi trường. Việc nghiên cứu khai thác bền vững các nguồn mangan biển sâu đang thu hút sự quan tâm của cộng đồng khoa học và công nghiệp.

Quốc gia	Tỷ lệ trữ lượng mangan toàn cầu	Đặc điểm khai thác
Nam Phi	>30%	Mỏ quy mô lớn, trữ lượng dồi dào
Ukraine	~20%	Khai thác lâu đời, phục vụ luyện kim
Brazil	~10%	Quặng chất lượng cao
Úc	~8%	Công nghệ khai thác hiện đại
Ấn Độ	~6%	Đáp ứng nhu cầu nội địa

Ứng dụng công nghiệp

Ứng dụng quan trọng nhất của mangan là trong ngành luyện kim. Khoảng 90% sản lượng mangan trên thế giới được sử dụng trong sản xuất thép. Mangan đóng vai trò như một chất khử oxy và lưu huỳnh trong quá trình luyện thép, giúp cải thiện độ bền và tính dẻo. Thép hợp kim mangan có độ cứng cao, thường được sử dụng trong đường ray, máy nghiền và các bộ phận cơ khí chịu mài mòn.

Trong công nghiệp pin, mangan dioxide (MnO₂) là thành phần chính của cực dương trong pin khô và pin kiềm. Mangan cũng được dùng để sản xuất pin lithium-ion có mật độ năng lượng cao. Ngoài ra, mangan được sử dụng trong sản xuất hợp kim nhôm-mangan, giúp tăng khả năng chống ăn mòn, và trong sản xuất đồng thau mangan, tăng độ bền cơ học.

Trong lĩnh vực thủy tinh và gốm, mangan được dùng để khử màu xanh lục của thủy tinh do tạp chất sắt hoặc tạo màu tím, hồng cho sản phẩm gốm sứ. Một số hợp chất mangan còn được sử dụng làm chất xúc tác trong công nghiệp hóa chất, đặc biệt là quá trình tổng hợp hữu cơ.

• Luyện thép và gang: loại bỏ oxy, lưu huỳnh, cải thiện cơ tính.
• Pin khô và pin kiềm: MnO₂ làm chất khử điện cực.
• Pin lithium-ion: tăng mật độ năng lượng và tuổi thọ.
• Hợp kim nhôm-mangan: chống ăn mòn trong công nghiệp hàng không.
• Thủy tinh và gốm: tạo màu, khử màu tạp chất.

Vai trò sinh học

Mangan là một nguyên tố vi lượng thiết yếu đối với cơ thể người, mặc dù chỉ cần một lượng rất nhỏ nhưng lại đóng vai trò quan trọng trong nhiều phản ứng sinh hóa. Trong cơ thể, mangan tham gia cấu tạo và hoạt hóa nhiều loại enzym, điển hình là superoxide dismutase (Mn-SOD), một enzym chống oxy hóa mạnh giúp loại bỏ các gốc tự do superoxide, bảo vệ tế bào khỏi stress oxy hóa.

Bên cạnh đó, mangan còn tham gia vào quá trình chuyển hóa carbohydrate, acid amin và cholesterol. Nó có vai trò trong tổng hợp collagen, cần thiết cho sự phát triển và duy trì xương khớp khỏe mạnh. Các nghiên cứu đã chứng minh rằng mangan hỗ trợ hoạt động bình thường của hệ thần kinh trung ương và góp phần điều hòa hệ miễn dịch.

Nhu cầu mangan hàng ngày của con người dao động từ 1,8 mg đến 2,3 mg ở người trưởng thành, theo National Institutes of Health (NIH). Nguồn mangan trong chế độ ăn chủ yếu đến từ ngũ cốc nguyên hạt, các loại hạt, rau xanh và trà. Chế độ ăn uống cân bằng có thể cung cấp đầy đủ mangan, hạn chế nguy cơ thiếu hụt.

• Chống oxy hóa: enzym Mn-SOD
• Chuyển hóa dinh dưỡng: carbohydrate, acid amin, lipid
• Hình thành và duy trì cấu trúc xương
• Hỗ trợ thần kinh và miễn dịch

Ảnh hưởng sức khỏe khi thiếu hoặc thừa

Thiếu mangan ở người khá hiếm nhưng có thể xảy ra ở những trường hợp chế độ ăn kém đa dạng. Các triệu chứng thiếu mangan bao gồm chậm phát triển xương, rối loạn chuyển hóa glucose và lipid, suy giảm chức năng thần kinh và rối loạn sinh sản. Một số nghiên cứu cho thấy thiếu mangan có thể dẫn đến giảm mật độ xương, tăng nguy cơ loãng xương và gãy xương.

Ngược lại, thừa mangan, đặc biệt khi phơi nhiễm nghề nghiệp qua hít phải bụi hoặc khói chứa mangan, có thể gây ra một tình trạng gọi là manganism. Đây là một rối loạn thần kinh với biểu hiện run rẩy, cứng cơ, chậm vận động, tương tự bệnh Parkinson. Phơi nhiễm mangan kéo dài cũng có thể ảnh hưởng đến chức năng hô hấp, gan và hệ thần kinh trung ương.

Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) đã đưa ra giới hạn nồng độ mangan trong nước uống là 0,05 mg/L, trong khi Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) khuyến nghị mức tối đa 0,4 mg/L. Điều này nhằm hạn chế nguy cơ tích lũy mangan trong cơ thể, đặc biệt đối với trẻ nhỏ có hệ thần kinh đang phát triển.

Tình trạng	Nguyên nhân	Hậu quả sức khỏe
Thiếu mangan	Chế độ ăn kém, bệnh lý hấp thu	Suy giảm xương, rối loạn chuyển hóa, thần kinh
Thừa mangan	Phơi nhiễm nghề nghiệp, nước uống nhiễm mangan	Manganism, rối loạn thần kinh, hô hấp

Tác động môi trường

Mangan là một nguyên tố phổ biến trong tự nhiên, thường không gây hại ở nồng độ thấp. Tuy nhiên, các hoạt động công nghiệp như khai thác mỏ, luyện kim, sản xuất pin và phân bón có thể làm tăng đáng kể nồng độ mangan trong đất và nước. Khi vượt quá mức tự nhiên, mangan có thể ảnh hưởng tiêu cực đến hệ sinh thái.

Trong thủy sinh, mangan dư thừa tích lũy trong cá, động vật giáp xác và thực vật thủy sinh. Nồng độ cao gây rối loạn trao đổi chất, giảm khả năng sinh sản và phát triển của các loài. Trong đất nông nghiệp, mangan dư thừa có thể gây độc cho cây trồng, biểu hiện ở lá bị hoại tử, vàng lá và giảm năng suất. Một số loại cây mẫn cảm hơn với độc tính mangan, đặc biệt là các loại rau xanh.

Mangan trong không khí có thể đến từ khí thải công nghiệp hoặc đốt than, làm tăng nguy cơ hít phải hạt bụi chứa mangan. Điều này không chỉ ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng mà còn có tác động lâu dài đến môi trường không khí và sự phân bố của mangan trong hệ sinh thái.

Quy định và tiêu chuẩn an toàn

Các tổ chức quốc tế đã thiết lập nhiều tiêu chuẩn nhằm đảm bảo an toàn cho sức khỏe con người khi tiếp xúc với mangan. Theo WHO, mức tối đa mangan trong nước uống là 0,4 mg/L. EPA của Hoa Kỳ đưa ra giới hạn thấp hơn, chỉ 0,05 mg/L. NIH khuyến nghị lượng mangan hấp thụ hàng ngày đối với người trưởng thành là 1,8–2,3 mg/ngày.

Những tiêu chuẩn này không chỉ nhằm hạn chế ngộ độc cấp tính mà còn để phòng ngừa nguy cơ tích lũy mangan lâu dài trong cơ thể, đặc biệt ở nhóm dễ tổn thương như trẻ em, phụ nữ mang thai và người già.

• WHO: 0,4 mg/L mangan trong nước uống
• EPA: 0,05 mg/L mangan trong nước uống
• NIH: 1,8–2,3 mg/ngày cho người trưởng thành

Kết luận

Mangan là một nguyên tố có vai trò kép: vừa là thành phần quan trọng trong công nghiệp, đặc biệt là luyện thép và sản xuất pin, vừa là vi chất dinh dưỡng thiết yếu cho con người. Tuy nhiên, sự mất cân bằng – thiếu hụt hoặc dư thừa – đều có thể gây ra hậu quả đối với sức khỏe và môi trường. Chính vì vậy, việc quản lý khai thác, sản xuất và sử dụng mangan cần đi đôi với bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng. Các tiêu chuẩn quốc tế và quy định an toàn là công cụ quan trọng để giảm thiểu rủi ro từ mangan, đồng thời bảo đảm nguồn cung bền vững cho nhu cầu công nghiệp và sinh học trong tương lai.

Tài liệu tham khảo

1. US Geological Survey (USGS). Manganese Statistics and Information
2. National Institutes of Health (NIH). Manganese Fact Sheet for Health Professionals
3. World Health Organization (WHO). Guidelines for Drinking-water Quality. WHO 2017
4. EPA (United States Environmental Protection Agency). Manganese in Drinking Water
5. Alloway BJ. Heavy Metals in Soils: Trace Metals and Metalloids in Soils and their Bioavailability. Springer; 2013.
6. Aschner M, Erikson KM, Dorman DC. Manganese dosimetry: species differences and implications for neurotoxicity. Crit Rev Toxicol. 2005;35(1):1-32. DOI:10.1080/10408440590905944