망가니즈

3. 성질

망가니즈는 철과 비슷한 모습의 회백색 금속으로, 단단하고 부서지기 쉽지만 쉽게 산화된다.^[2] 특별한 처리를 한 경우에만 강자성을 띠며, 공기나 산소를 포함한 물 속에서 느리게 산화되어 철과 비슷한 녹이 생긴다.^[4]

망가니즈는 온도에 따라 α, β, γ, δ의 네 가지 동소체를 가진다. 각 동소체는 서로 다른 결정 구조와 자기적 성질을 나타낸다. (자세한 내용은 #물리적 성질 문단의 표 참조)

화학적으로 망가니즈는 -3에서 +7까지 다양한 산화수를 가질 수 있지만, 일반적인 산화수는 +2, +3, +4, +6, +7이다. Mn-C 결합을 가진 다양한 유기금속 유도체를 형성하며, 이 분야는 망가니즈의 저렴한 비용과 낮은 독성으로 인해 주목받고 있다.^[26]

이산화 망가니즈를 촉매로 사용하는 과산화 수소의 분해 반응은 한국의 교육 과정에서 촉매 실험으로 자주 사용된다.

3. 1. 물리적 성질

3. 1. 1. 동위 원소

3. 1. 2. 동소체

• '''알파 망가니즈''' (α-Mn)는 실온에서 평형 상태이다. 체심 입방 격자를 가지며, 원소 금속 중에서 단위 세포가 매우 복잡하여 세포당 58개의 원자(원시 단위 세포당 29개의 원자)가 네 가지 다른 유형의 위치에 있다는 점에서 특이하다.^[12][9] 실온에서는 상자성이고 9.5만°C 이하의 온도에서는 반강자성이다.^[13]

• '''베타 망가니즈''' (β-Mn)는 이상으로 가열하면 형성된다. 두 종류의 위치에 단위 세포당 20개의 원자를 가진 단순 입방 구조를 가지며, 다른 어떤 원소 금속보다 복잡하다.^[14] 급속 냉각을 통해 실온에서 준안정상으로 쉽게 얻을 수 있다. 자성을 나타내지 않으며, 측정된 가장 낮은 온도(1.1 K)까지 상자성 상태를 유지한다.^[14][15][16]

• '''감마 망가니즈''' (γ-Mn)는 이상으로 가열하면 형성된다. 단순한 면심 입방 구조(단위 세포당 4개의 원자)를 갖는다. 실온으로 냉각하면 β-Mn으로 변환되지만, 5% 이상의 다른 원소(예: C, Fe, Ni, Cu, Pd 또는 Au)로 합금하여 실온에서 안정화할 수 있으며, 이러한 용질로 안정화된 합금은 면심 사방정계 결정계 구조로 왜곡된다.^[17][16]

• '''델타 망가니즈''' (δ-Mn)는 이상으로 가열하면 형성되며, 망가니즈 녹는점인 까지 안정적이다. 체심 입방 격자 구조(입방 단위 세포당 2개의 원자)를 갖는다.^[10][16]

3. 2. 화학적 성질

3. 2. 1. 주요 화합물

4. 존재

망가니즈는 지각에서 12번째로 많은 원소이며, 약 1000ppm 정도 포함되어 있다. 토양에는 평균 440ppm, 해수에는 약 10ppm의 농도로 존재한다. 1978년 추정에 따르면, 해저에는 5,000억 톤의 망가니즈 단괴가 있으며, 이를 채취하는 경제적인 방법은 1970년대에 중단되었다.^[44][45]

이 금속은 일본 국내에서 산업상 중요성이 높지만, 산출지에 편중되어 있어 공급 구조가 취약하다. 일본은 국내에서 소비하는 광물 자원의 대부분을 타국으로부터의 수입으로 충당하고 있으며, 국제 정세 급변에 대한 안전 보장책으로 국내 소비량의 최소 60일분을 국가 비축하도록 정해져 있다.

4. 1. 주요 광물

가장 중요한 망가니즈 광석은 경석 (MnO₂)이다. 다른 경제적으로 중요한 망가니즈 광석은 일반적으로 섬아연광과 같이 철광석과 밀접한 공간적 관계를 보인다.^[2][43] 육상 자원은 방대하지만 불규칙하게 분포되어 있다. 알려진 세계 망가니즈 자원의 약 80%가 남아프리카 공화국에 있으며, 다른 중요한 망가니즈 매장지는 우크라이나, 호주, 인도, 중국, 가봉 및 브라질에 있다.^[42]

일본의 경우, 제2차 세계 대전 중에는 건전지용으로 망가니즈를 채굴하는 광산이 다수 개발되었다. 특히 교토부 중부(단바 지방)를 중심으로 긴키 지방에 영세 광산이 집중적으로 존재했다. 그러나, 1950년대 이후 광물 자원 수입 자유화로 인해 1970년대까지 모두 폐광되었다. 홋카이도의 가미노쿠니 광산, 오에 광산 등 비교적 큰 규모의 광산은 1980년대까지 존속했지만, 현재는 이와테현의 노다타마가와 광산에서 보석 재료인 장미휘석이 제한적으로 채굴될 뿐이다.

심해저에는 망가니즈, 철 등의 금속 수산화물의 덩어리인 망간 단괴(망간 노듈)로서 존재하지만, 비용 문제로 시험적인 채취에 머물고 있다.^[44][45]

4. 2. 해저 자원

5. 생산

철강용 페로망가니즈 생산을 위해 망가니즈 광석을 철광석 및 탄소와 혼합한 후 고로 또는 전기로에서 환원시킨다.^[48] 생성된 페로망가니즈는 망가니즈 함량이 30~80%이다.^[2] 철을 함유하지 않은 합금 생산에 사용되는 순수한 망가니즈는 망가니즈 광석을 황산으로 침출한 후 전기분해 공정을 거쳐 생산된다.^[49]

6. 용도

망가니즈는 철강 생산에 필수적인 원소이다. 황을 고정하고, 탈산하며, 합금하는 성질을 가지고 있어 철강 생산에 사용되며, 현재 총수요의 85%에서 90%를 차지한다.^[49][62] 망가니즈는 저가 스테인리스강의 핵심 성분이며,^[63][64] 페로망가니즈(보통 약 80% 망가니즈)는 현대 공정의 중간 생성물인 경우가 많다.

소량의 망가니즈는 고온에서 강철의 가공성을 향상시킨다. 망가니즈 함량이 4%에 도달하면 강철의 취성이 지배적인 특징이 되지만, 망가니즈 농도가 8%에 도달하면 허용 가능한 수준으로 감소한다. 8~15%의 망가니즈를 함유한 강철은 최대 863MPa의 높은 인장 강도를 가진다.^[65][66] 1882년 로버트 해드필드가 발견한 망가니즈 12% 강철은 해드필드 강(망간강)으로 알려져 있으며, 영국 군대와 미국 군대의 강철 헬멧에 사용되었다.^[67]

7. 생체 내 역할 및 건강

망가니즈는 인체 건강에 필수적인 미량 영양소로, 다양한 생리적 기능에 관여한다. 뼈 형성과 대사 작용에 중요한 역할을 하며, 소화를 돕는 효소의 구성 성분이기도 하다. 일부에서는 활성 산소를 제거하는 항산화 작용을 하는 필수 미네랄로 간주하기도 한다.

인체는 망가니즈 결핍은 드물지만, 결핍 시 성장 이상, 평형 감각 이상, 피로, 당뇨병(인슐린 합성 능력 저하), 뼈 약화, 상처 치유 지연, 생식 능력 저하 등의 문제가 발생할 수 있다.^[99] 그러나 망가니즈는 강물 등 자연수에도 포함되어 있고, 수도 물에는 오히려 너무 많아 제거하는 경우도 있어 일상생활에서 결핍될 가능성은 낮다.

반면, 과도한 망가니즈 노출은 망가니즘이라는 신경 퇴행성 질환을 유발할 수 있다. 망가니즘은 도파민성 신경 세포의 사멸을 초래하여 파킨슨병과 유사한 증상을 일으킨다.^[40][98]

산업안전보건법에서는 망가니즈를 제2류 특정 화학 물질로 지정하여 관리하고 있다. 망간 광석 정련소 작업자, 벽돌 직공, 강관 제조업자 등은 망간 중독에 노출될 위험이 높다. 망간 중독의 증상으로는 두통, 관절통, 과민성, 졸음, 정동 불안정, 착란 등이 있으며, 심하면 대뇌 기저핵이나 피질척수로 손상으로 파킨슨병, 근긴장이상, 평형 감각 장애, 우울증 등이 나타날 수 있다. 망간 노출을 중단하면 대개 3~4개월 안에 증상이 사라진다.

미국 환경 보호국(EPA) 규정에 따른 현재 망가니즈의 최대 안전 농도는 50 μg Mn/L이다.^[108]

7. 1. 생리 작용

7. 2. 섭취 기준

일본의 망가니즈 식사 섭취 기준(2015년)은 다음과 같다.^[128]

미국의 망가니즈 식사 섭취 기준(2001년)은 다음과 같다.^[129]

과도한 망가니즈 섭취는 망가니즘을 유발할 수 있으며, 이는 도파민성 신경 세포 사멸과 파킨슨병 유사 증상을 보이는 신경 퇴행성 질환이다.^[40][98]

7. 3. 결핍 및 과잉 섭취

8. 환경

수중 망가니즈는 식이 망가니즈보다 생체 이용률이 더 높다. 2010년 연구 결과에 따르면, 식수에서 망가니즈에 대한 노출 수준이 높을수록 학령기 아동의 지적 장애 증가 및 지능 지수 감소와 관련이 있다.^[100] 샤워 물에 자연적으로 존재하는 망가니즈를 흡입하여 장기간 노출되면 최대 870만 명의 미국인이 위험에 처할 수 있다는 가설이 세워졌다.^[101] 그러나 망가니즈 과다 노출로 인한 특정 유해 효과는 노출이 중단되고 신체가 과도한 망가니즈를 제거할 수 있다면 인체에서 회복될 수 있다는 데이터가 있다.^[102]

저산소 상태가 발생할 때 해수에서 망가니즈(Mn) 수치가 증가할 수 있다.^[103] 1990년 이후 어류, 갑각류, 연체동물, 극피동물을 포함한 해양 생물에서 Mn 축적에 대한 보고가 있었다. 아가미, 뇌, 혈액, 신장 및 간/간췌장을 포함하여 다양한 종에서 특정 조직이 표적이 된다. 이러한 종에서 생리적 영향이 보고되었다. Mn은 면역 세포의 재생, 포식 작용, 프로페놀옥시다아제 활성화와 같은 기능에 영향을 미쳐 유기체의 면역 체계를 억제할 수 있다. 이로 인해 유기체는 감염에 더 취약해진다. 기후 변화가 발생하고 병원균 분포가 증가함에 따라 유기체가 이러한 병원균으로부터 생존하고 스스로를 방어하려면 건강하고 강력한 면역 체계가 필요하다. Mn 수치가 높아서 면역 체계가 손상되면 이러한 병원균과 싸울 수 없게 되어 죽게 된다.^[57]

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