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25. Mangan (Mn) – Das Härtungselement · Das Periodensystem der Elemente

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Willkommen zu einer neuen Folge von Wissensreise durch das
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Periodensystem, deinem Podcast zum Entspannen, Loslassen und
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lernen. Kennst du schon unsere anderen
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Schlafreisereien wie Schlafreise durch das Universum oder
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Schlafreise durch vergessene Welten?
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Falls nicht, lohnt sich ein Blick, sie nehmen dich mit auf
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Stille, Reisen durch Raum und Zeit, heute aber bleiben wir bei
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der Chemie, bei der Materie, bei den Bausteinen unserer Welt.
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Denn heute reisen wir gemeinsam zu einem Element, das
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Unscheinbar klingt, aber in der Geschichte der Menschheit
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tiefgreifende Spuren hinterlassen hat.
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Mangan, Element Nummer 25 im periodensystem symbol MN das
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Härtungselement Mangan ist ein grauweißes, hartes und sprödes
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Übergangsmetall. Es steht im Periodensystem in
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der siebten Gruppe der Mangan Gruppe, in der vierten Periode
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direkt rechts neben Chrom und links neben Eisen.
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Die Ordnungszahl. 25 bedeutet 25 protonen im atomkern 25
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Elektronen in der Hülle, die Atommasse beträgt 54,938
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Atommasseneinheiten Mangan ist ein reines Element.
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Es hat nur ein einziges stabiles Isotop Mangan 55.
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Diese Isotopenreinheit ist unter den Übergangsmetallen
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ungewöhnlich und macht Mangan zu einem sogenannten reinste
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Element oder mononuklid Element. Der Name Mangan leitet sich über
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das lateinische Manganesium aus dem griechischen und
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lateinischen ab. Mit Bezug auf die Region
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Magnesia in der griechischen Landschaft Thessalien, wo
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bereits in der Antike ein schwarzes Mineral gewonnen
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wurde. Dieses Mineral heute als
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Pyrolusit Mangandioxid Mno 2 bekannt, wurde von den alten
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Griechinnen und Griechen und Römerinnen und Römern zum
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Entfärben von Glas verwendet, denn Mangan kann das grünliche
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Eisenoxid. In der Glasschmelze oxidieren
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und so farbloses, klares Glas erzeugen Kleopatra und Caesars
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Hof sahen die Welt durch Glas, dessen Reinheit dem Mangan
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verdankt wurde, ohne es zu wissen.
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Die wissenschaftliche Entdeckung des Mangans als eigenständiges
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Element datiert auf das Jahr. 1700. 74 der schwedische
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Chemiker Karl Wilhelm Scheele erkannte als erster, dass das
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schwarze Mineral Pyrrolusit. Ein bislang unbekanntes Metall
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enthalten müsse, das sich von Eisen und anderen bekannten
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Metallen unterschied. Es war jedoch sein Landsmann,
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der schwedische Chemiker Johann Gottlieb Garn, der im selben
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Jahr als erster reines Mangan durch die Reduktion von
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Manganioxid mit Holzkohle isolierte.
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Scheele hatte die theoretische Grundlage gelegt, Garn führte
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die praktische Isolierung durch. Eine produktive Arbeitsteilung,
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wie sie in der Wissenschaftsgeschichte häufig
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begegnet. Der Begriff Manganerz tauchte
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jedoch schon deutlich früher in historischen Quellen auf, im
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Mittelalter und in der frühen Neuzeit wurde Mangandioxid als
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Braunstein bezeichnet und von Glasmachern, Keramikmalerinnen
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und Keramikmalern sowie Töpferinnen und Töpfern
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verwendet. Die chemische Identität des
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darin enthaltenen Elements blieb aber bis ins 18 Jahrhundert
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verborgen. Interessant ist auch die
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Verwechslungsgeschichte zwischen Mangan und Magnesium.
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Beide Namen leiten sich aus der Region Magnesia ab und beide
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Elemente wurden aus Mineralien dieser Gegend bekannt.
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Die. Klare Unterscheidung zwischen
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den beiden Elementen und ihren Verbindungen gelang erst durch
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die systematische Arbeit von Chemikern wie Schele und Garn.
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Mangan ist ein ungewöhnliches Metall.
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Seine Dichte beträgt 7,21 Gramm pro Kubikzentimeter, ähnlich wie
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Chrom und nahe an Eisen. Der Schmelzpunkt liegt bei 1246
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Grad Celsius, der Siedepunkt bei 2061 Grad Celsius deutlich
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niedriger als bei den benachbarten Übergangsmetallen
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Chrom und Eisen. Das macht Mangan zu einem der am
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leichtesten Schmelzbaren Übergangsmetalle dieser Gruppe.
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Was Mangan physikalisch besonders macht, ist seine
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Kristallstruktur, reines Mangan existiert bei Raumtemperatur in
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einer äußerst komplexen kubischen Modifikation, dem
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sogenannten Alpha Mangan, das mit 58 Atomen pro Einheitszelle
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eine der kompliziertesten Elementkristallstrukturen
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überhaupt darstellt. Diese Komplexität ist
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mitverantwortlich für die Sprödigkeit des reinen Metalls.
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Mangan lässt sich im Reinzustand kaum verformen, Splittert und
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bricht leicht, erst in Legierungen, etwa mit Eisen,
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Stahl oder Kupfer entfaltet Mangan seine außerordentlichen
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mechanischen Qualitäten. Mangan durchläuft beim Erhitzen
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mehrere Phasenübergänge. Alpha Mangan bei Raumtemperatur
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wandelt sich bei etwa 727 Grad Celsius in Beta Mangan, um dann
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bei 1079 grad in Gammamangan und schließlich kurz vor dem
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Schmelzen in Delta Mangan. Jede dieser Phasen hat eine
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andere Kristallstruktur und andere physikalische
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Eigenschaften, ein Verhalten, das in der Materialwissenschaft
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als Polymorphismus bezeichnet wird.
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In puncto Magnetismus zeigt Mangan ein faszinierendes
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Verhalten unterhalb von etwa -123 Grad Celsius 150 Kelvin ist
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Alpha Mangan ein Antiferromagnet, bei höheren
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Temperaturen geht es in einen paramagnetischen Zustand, über
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reines Mangan ist damit bei Raumtemperatur nicht magnetisch,
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obwohl seine nachbarelemente Chrom und Eisen magnetische
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Eigenschaften besitzen. Kaum ein Element des
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Periodensystems ist chemisch so flexibel wie Mangan.
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Es kann in den oxidationsstufen 310 + 1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6 und
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plus 7 auftreten, ein enorm weites Spektrum, die praktisch
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wichtigsten sind plus 2 + 4 und plus 7.
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Mangan 2 ist die stabilste und häufigste Form in wässriger
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Lösung, die. Mnc 2 plus Ionen sind hellrosa
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gefärbt und kommen in zahlreichen Mineralsalzen vor.
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Mangan 4 findet sich vor allem im Mangandioxid Mno 2, dem
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wichtigsten Manganmineral und zugleich einem bedeutenden
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Elektrodenmaterial in Batterien. Mangan 7 schließlich ist die am
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stärksten oxidierende Form bekannt, vor allem als Kalium
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per Manganat K. Mno 4.
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Einem Tiefvioletten bis fast schwarzen Salz, das als
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Oxidationsmittel Desinfektionsmittel und
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Analysereagenz weit verbreitet ist.
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Kaliumpermanganat ist in der Chemie eine Ikone.
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Wird eine Kristall in Wasser gegeben, löst sich ein
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tiefvioletter Farbschlier ins Wasser, eine der
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eindrücklichsten Farbreaktionen der Chemie.
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Als starkes Oxidationsmittel reagiert Permanganat lebhaft mit
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organischen Verbindungen. Wasserstoffperoxid und
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reduzierten Metallen in der qualitativen Analyse dient es
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zur Titration in der Wasseraufbereitung, zur
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Oxidation von Eisen, Mangan und organischen Verunreinigungen in
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der Medizin als antiseptisches Mittel bei Hauterkrankungen und
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Wundinfektionen. Mangan ist das zwölfthäufigste
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Element in der Erdkruste. Und kommt dort in einer
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durchschnittlichen Konzentration von etwa 950 Milligramm pro
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Kilogramm vor. Damit ist es häufiger als
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Nickel, Kupfer oder Zink, es findet sich in über 300
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Mineralien, am wichtigsten sind Pyrolusit, Mno, 2, Braunstein,
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rhodonit, mn, SAS, IO 3 und rhodocrosit Mnco 3 rhodocrosit,
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auch Inkarhonit genannt. Ist ein wunderschönes Rosenrotes
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bis dunkelrotes Mineral, das als Schmuckstein und Sammlerstück
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geschätzt wird. Die wichtigsten manganerts
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Lagerstätten befinden sich in Südafrika Kalahari Manganfeld,
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das größte bekannte Landvorkommen der Welt in
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Australien, in der Ukraine, in Indien, in Gabun und in China
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die globale Jahresproduktion an Manganerts beläuft sich auf über
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20000000 Tonnen. Ein außergewöhnliches und
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futuristisch anmutendes Vorkommen sind die Manganknollen
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auf dem Tiefseeboden. Diese Kartoffelgroßen
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Schwarzbraunen Konkremente bedecken weite Teile des
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Pazifischen Ozeans in Tiefen von 4000 bis 6000 Metern, sie
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entstehen über Millionen von Jahren durch extrem langsames
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Ausfällen von Metallionen aus dem Meerwasser, um einen Kern,
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oft ein Haifischzahn. Oder ein korallenbruchstück
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Manganknollen enthalten nicht nur Mangan, 20 bis 30%, sondern
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auch erhebliche Mengen an Nickel, Kupfer, Kobalt und
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Seltenen Erden. Das geschätzte Gesamtvolumen der
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Manganknollen im Pazifik übersteigt 500 Milliarden
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Tonnen, ein gewaltiges Rohstoffreservoir, das
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allerdings aus ökologischen Gründen umstritten ist, da der
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tiefseeabbau empfindliche Ökosysteme zerstören würde.
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Die Verhüttung von Mangan zur Gewinnung von Ferromangan und
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reinem Mangan erfolgt durch carbothermische Reduktion im
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Elektrolichtbogenofen. Ähnlich wie bei anderen
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Übergangsmetallen Elektrolytisches Mangan höchster
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Reinheit wird durch Elektrolyse aus Mangansulfatlösungen
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gewonnen, die vielleicht bedeutendste Anwendung von
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Mangan in der Geschichte der Menschheit ist seine Rolle in
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der Stahlherstellung. Diese Geschichte beginnt im
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Jahr. 1856 mit einem der Folgenreichsten Missgeschicke
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der Industriegeschichte. Robert Forrester Mouchette, ein
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britischer Metalurg und Tüftler, entdeckte fast zufällig, dass
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Stahl, der zu viel Schwefel und Sauerstoff enthielt und daher
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brüchig und unbrauchbar war, durch Zugabe von Spiegeleisen
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einem eisenreichen Ferromongan geheilt werden konnte.
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Mangan. Reagiert bevorzugt mit Schwefel
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zu Mangansulfid Mns und mit Sauerstoff zu Manganoxid, die
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beide als Schlacke aus dem Stahl austreten.
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Ohne Muschet und Mangan wäre Henry Bessemers revolutionäres
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Konverterverfahren zur Massenstahlproduktion
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möglicherweise gescheitert. Heute enthält nahezu jeder Stahl
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Mangan in Mengen, von 0,2 bis über 2%.
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Mangan wirkt dabei als Desoxidations und
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Entschwefelungsmittel, verbessert die
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Warmverformbarkeit des Stahls und erhöht Festigkeit und
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Härtbarkeit. Ein besonders beeindruckendes
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Beispiel ist der sogenannte Headfield Stahl oder
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Manganhartstahl der 1882 von Robert Headfield entwickelt
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wurde und 11 bis 14% Mangan enthält.
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Dieser Stahl zeigt ein bemerkenswertes Phänomen, er ist
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zunächst zäh und. Und wenig hart, aber unter
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mechanischer Beanspruchung. Also genau dann, wenn er
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gestaucht oder gehämmert wird, verfestigt er sich drastisch
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durch Verformungshärtung. Dieses selbstverstärkende
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Verhalten macht headfield Stahl ideal für extrem beanspruchte
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Teile wie Eisenbahnweichen, Bergbauausrüstungen,
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Brecherkegel und Panzerplatten. Er ist heute noch in Betrieb und
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wurde seit seiner Erfindung kaum verbessert, ein Zeugnis seiner
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Genialität. Mangan spielt auch in der
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Energiespeicherung eine wichtige und wachsende Rolle.
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Mangan Dioxid Mo, 2, ist seit mehr als 150 Jahren ein
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bewährtes Kathodenmaterial in Trockenbatterien, den
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klassischen Zinkkohlebatterien und den verbesserten Alkalie
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Mangan Batterien, die heute in Haushaltsgeräten,
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Fernbedienungen und Spielzeug allgegenwärtig sind.
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Allein die globale Produktion von Alkali Mangan Batterien
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beläuft sich auf Dutzende Milliarden Stück pro Jahr.
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In der modernen Batterieforschung rückt Mangan
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als Schlüsselkomponent von Lithium Ionen Batterien in den
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Vordergrund, Lithium Manganoxid Limen 2 o 4 Spinellstruktur und
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Lithium, Nickel, Mangan, Kobalt, oxid NMC.
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Gehören zu den meistgenutzten Kathodenmaterialien in
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Elektrofahrzeugen und stationären Energiespeichern.
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Nmc Kathoden kombinieren die Energiedichte von Nickel, die
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Stabilität von Mangan und die Leitfähigkeit von Kobalt, ein
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Balanceakt auf atomarer Ebene, der die Leistungsfähigkeit
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moderner E. Autobatterien bestimmt.
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Die Forschung an Manganreichen Kobaltarmen Kathodenmaterialien.
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Ist eines der heißesten Felder der Batteriewissenschaft da
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Kobalt teuer, geopolitisch problematisch und mit ethisch
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fragwürdigen Abbaubedingungen verbunden ist, während Mangan
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deutlich günstiger und verfügbarer ist.
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Darüber hinaus gelten Manganbasierte Kathoden als
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vielversprechend für die kommende Generation der Natrium
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Ionen Batterien, eine Technologie, die perspektivisch
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ohne Lithium auskommt. Und damit die Abhängigkeit von
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diesem kritischen Rohstoff verringern könnte.
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Mangan ist ein essentielles Spurenelement für alle bekannten
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Lebewesen, im menschlichen Körper beträgt der Gesamtgehalt
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an Mangan nur etwa 10 bis 20 Milligramm, verteilt auf
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Knochen, Leber, Bauchspeicheldrüse und Nieren.
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Dennoch ist Mangan für mehrere lebenswichtige biochemische
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Prozesse unverzichtbar. Es ist Kofaktor zahlreicher
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Enzyme, darunter die Aginase, die im Harnstoffzyklus das
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Aginin zu Harnstoff und Ornithin spaltet, die Pyruvatcarboxylase,
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die für die Gluconeogenese bedeutsam ist, sowie die
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Superoxiddismutase Mnsod, ein mitochondriales Enzym, das
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reaktive Sauerstoffspezies neutralisiert und damit Zellen
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vor oxidativem Stress schützt. Die Mnsod ist eine der
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wichtigsten antioxidativen Verteidigungslinien der Zelle
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und Mangan ist ihr aktives Zentrum.
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Für die Photosynthese ist Mangan sogar von zentraler Bedeutung im
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Photosystem 2 der Pflanzen, Algen und Cyanobakterien sitzt
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ein Mangan Calciumcluster aus 4 Manganatomen und einem
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Calciumatom, der die Wasseroxidation katalysiert.
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Jenen Schritt der Photosynthese, bei dem Wasser in Sauerstoff,
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Protonen und Elektronen gespalten wird.
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Der Sauerstoff, den wir atmen, wurde zu einem großen Teil durch
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diesen Mangancluster erzeugt, das ist keine Übertreibung, alle
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heute in der Erdatmosphäre vorhandenen 21% Sauerstoff gehen
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letztlich auf diesen biochemischen Prozess zurück,
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der vor etwa 2,4 Milliarden Jahren im Zuge der sogenannten
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großen Sauerstoffkatastrophe. Die Erdatmosphäre
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revolutionierte ein Mangelmangel.
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Bei Menschen äußert sich in Wachstumsstörungen, verminderter
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Knochenmineralisierung, gestörter Glukosetoleranz und
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Beeinträchtigter Reproduktionsfunktion ein
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Übermaß an Mangan, etwa durch berufliche Exposition gegenüber
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Manganstaub in Bergbau oder schweißen, kann dagegen zu einer
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Erkrankung führen, die dem Parkinson Syndrom ähnelt, dem
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sogenannten Manganismus. Einer irreversiblen Schädigung
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des extra pyramidal motorischen Systems im Gehirn.
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Und nun begeben. Wir uns auf eine Reise zurück.
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Weit zurück. In die Höhlen des Paläolithikums
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vor mindestens 30000 Jahren die ältesten bekannten
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Höhlenmalereien der Menschheit wie jene in der Höhle von
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Altamira in Spanien und in Lascaux in Frankreich, wurden
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mit Pigmenten aus Manganoxiden und Eisenoxiden erschaffen.
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Das tiefe Schwarz. In diesen Malereien stammt von
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Pyrolucid und anderen Manganerzen, die die
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Künstlerinnen und Künstler der Altsteinzeit zermalten.
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Mit tierischem Fett vermischten. Und auf Felswände auftrugen.
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Noch älter sind Funde aus der Blombosshöhle in Südafrika.
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Dort fanden Archäologinnen und Archäologen Manganoxidstücke,
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die offenbar als Farbstifte genutzt wurden.
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Sie datieren auf vor etwa 70000 bis 100000 Jahren.
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Mangan war damit möglicherweise das erste Pigment, das je vom
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Menschen als Kunstmaterial genutzt wurde.
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In gewissem Sinne begann die bildende Kunst der Menschheit
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mit diesem Element auch in der Töpferei und Keramik spielte
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Mangan seit der Antike eine Rolle.
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Manganoxid verleiht Glasuren ein tiefes schwarzbraun bis violett
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und wurde in antiken Kulturen. Rund ums Mittelmeer als
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Dekorpigment eingesetzt über Stahl und Batterien hinaus
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findet Mangan in einer Vielzahl von industriellen Anwendungen
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Verwendung. In der Aluminiumindustrie wird
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Mangan als Legierungszusatz eingesetzt, legiertes Aluminium
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mit etwa 1,2% Mangan, die Legierung e naw 3003.
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Ist Korrosionsbeständiger und fester als reines Aluminium und
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wird für Getränkedosen, Wärmetauscher und
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Dachverkleidungen verwendet. Die typische Getränkedose aus
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Aluminium enthält also Mangan in der chemischen Industrie dient
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Kaliumpermanganat als vielseitiges Oxidationsmittel in
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der organischen Synthese bei der Wasseraufbereitung, als
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Desinfektionsmittel und in Kombination mit anderen
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Substanzen. Bei der Herstellung von
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Feinchemikalien und Pharmazeutika Mangandioxid wird
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in der Keramik und Glasindustrie sowohl als Entfärbungsmittel als
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auch als Färbemittel eingesetzt. In geringen Mengen oxidiert es
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eisenverbindungen und macht Glas farblos, in höheren
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Konzentrationen erzeugt es violette bis schwarze Farbtöne.
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Glasmacherinnen und Glasmacher der Antike bis zur Neuzeit
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nannten Mno 2 deshalb treffend den Glasseifenstein.
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In der Trocknungsmittelchemie werden Mangansalze als Sekative
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eingesetzt, Katalysatoren, die die Oxidationshärtung von Leinöl
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basierten Farben und Lacken beschleunigen.
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Auch in manchen Futtermittelzusätzen und
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Düngemitteln ist Mangan als Mikronährstoff enthalten, da
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Manganmangel in Böden. Die Ernteerträge vieler
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Kulturpflanzen erheblich reduziert wie alle Elemente mit
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Ordnungszahl größer als Wasserstoff wurde auch Mangan in
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Sternen erzeugt. Mangan entsteht hauptsächlich
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durch Thermonukleare Verbrennungsprozesse in
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massereichen Sternen, insbesondere durch Silizium
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verbrennen kurz vor dem Kollaps als Supernova.
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Ein Teil des kosmischen Mangans stammt auch aus Typ 1 a.
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Supernova der Explosion von Weißen Zwergen in
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Doppelsternsystemen. In Meteoriten wurde Mangan in
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verschiedenen Isotopenverhältnissen gefunden,
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die Rückschlüsse auf die nukleosynthestische Geschichte
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unseres Sonnensystems erlauben. Das radioaktive Isotop Mangan
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53, das mit einer Halbwertszeit von 3,7 Millionen Jahren zu
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Chrom 53 zerfällt, dient als kosmochemische Uhr zur Datierung
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früher Prozesse. In der Entstehung unseres
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Sonnensystems. Die Messung von Chrom 53
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Überschüssen in Meteoriten erlaubt es, die Zeitskala der
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frühen Planetendifferenzierung auf wenige Millionen Jahre genau
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zu bestimmen. In der Sonnenatmosphäre ist
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Mangan Spektroskopisch nachweisbar.
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Auch auf dem Mars wurden durch Rover Analysen erhöhte
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Mangankonzentrationen in Sedimentgesteinen entdeckt.
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Ein Hinweis auf frühere oxidative Bedingungen und
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möglicherweise auf eine wässrige Vergangenheit des Roten
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Planeten. Und so kommen wir, wieso oft auf
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diesen Wissensreisen an einem Punkt an, der über die Chemie
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hinausweist? Mangan ist überall im Stahl
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unserer Brücken, in den Batterien unserer Elektroautos,
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in den Höhlenmalereien unserer ältesten Vorfahren, in den
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Chloroplasten jedes grünen Blattes, in den Tiefen des
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Ozeans. Es ist ein Element, das die Erde
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selbst erschaffen hat, über Milliarden von Jahren
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tektonischer Prozesse, hydrothermaler Aktivität und
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biologischer Evolution. Die Manganknollen auf dem
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Meeresboden beispielsweise sind in vielen 1000 Jahren gewachsen.
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Die Ökosysteme der Tiefsee, die sie umgeben, seegurken,
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Seesterne, spezialisierte Krebse und Bakterien haben sich über
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Jahrmillionen entwickelt und sind auf die spezifischen
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Bedingungen des Tiefseebodens angewiesen.
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Ein einziger industrieller Abbauvorgang könnte diese
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einzigartigen Lebensräume für Jahrhunderte, vielleicht für
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immer zerstören. Und die wirtschaftliche Logik
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des schnellen Profits ist dabei ein schlechter Ratgeber.
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Mangan erinnert uns daran, dass die Rohstoffe dieser Erde nicht
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nur wirtschaftliche Ressourcen sind, sondern Teile eines
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komplexen, vernetzten Planetensystems, dessen
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Gleichgewichte sich über unvorstellbar lange Zeiträume
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entwickelt haben. Unsere Erde ist nicht
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unerschöpflich, sie ist endlich verwundbar und das Kostbarste,
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was wir haben, jede Entscheidung.
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Die wir im Umgang mit ihren Ressourcen treffen, hat
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Konsequenzen, die weit über unsere eigene Lebenszeit
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hinausreichen. Mangan das Härtungselement ist
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letztlich auch eine Metapher, es verleiht dem Stahl seine
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Festigkeit, indem es ihn von innen heraus stärkt.
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Vielleicht gilt das auch für uns, wenn wir die Erde wirklich
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verstehen, ihre Chemie, ihre Geschichte, ihre
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Verletzlichkeit, dann wächst auch in uns eine Festigkeit.
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Eine Entschlossenheit, sorgfältig mit ihr umzugehen.
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Für uns selbst, für die kommenden Generationen und für
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alle Lebewesen, die diesen Planeten mit uns teilen.
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Danke, dass du heute dabei warst, bei der Wissensreise
23:49
durch das Periodensystem, wenn dir diese Folge gefallen hat,
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freue ich mich sehr darüber, wenn du dem Podcast folgst.
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Auf Spotify, Apple Podcasts oder wo immer du deine
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Lieblingspodcasts hörst. Und wenn du eine Bewertung
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hinterlässt, hilfst du dabei, dass noch mehr neugierige
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Menschen diese Reisen durch die Welt der Elemente entdecken
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können. Empfiehl die Folge gerne weiter
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an Freundinnen und Freunde, an Schülerinnen und Schüler, an
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alle, die Wissenschaft lieben oder neu entdecken möchten, bis
24:22
zur nächsten Wissensreise bleib neugierig, bleib achtsam und
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pass gut auf dich und diese wunderbare Erde auf.