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Accueil > Science pour tous > 2019 - Année internationale du tableau périodique des éléments > Archives des éléments présentés

Manganèse

Le manganèse est le troisième métal de transition, le plus abondant dans la croûte terrestre, après le fer et le titane. On trouve du manganèse dans les minerais de pyrolusite (MnO2), psilomélane [(Ba,H2O)2Mn5O10] et rhodochrosite (MnCO3).
Sous sa forme métallique, il est gris, très cassant et fragile. Le manganèse s’oxyde facilement. Il peut s’oxyder lentement en présence de dioxygène et se transformer en dioxyde de manganèse (MnO2). Mais, il peut aussi subir une oxydation vive, en étant chauffé par exemple (combustion) et dans ce cas, c’est du tétraoxyde de manganèse (Mn3O4) qui est produit. La poudre fine de manganèse s’enflamme spontanément à l’air à température ambiante !
Deux ions du manganèse sont particulièrement connus. Le premier est l’ion permanganate de formule MnO4–, de couleur violette, souvent associé au potassium pour former le permanganate de potassium (KMnO4). C’est un puissant oxydant qui peut être utilisé comme désinfectant. Le second est l’ion manganèse II, de formule Mn2+ : il est obtenu par réduction du permanganate.

Étymologie  : vient du latin « magnesia nigra » signifiant magnésie noire.
Tout comme les mots « magnétite » et « magnésium », le mot « manganèse » dérive du mot « magnesia », une zone située dans la région grecque de Thessalie. De cette région provenaient différents minéraux : un minéral noir attirant le fer qui correspond à la magnétite (un oxyde de fer), le « magnesia alba » (blanc) qui s’avéra être du carbonate de magnésium et le « magnesia nigra » (noir) composé d’oxyde de manganèse (pyrolusite). Le nom « magnesia nigra » fut alors contracté en « manganesa » qui devint finalement « manganèse ».

Pyrolusite : MnO2 - Créditi photo : Wikipédia/Rob Lavinsky, iRocks.com – CC-BY-SA-3.0

Origine  : Le manganèse de l’Univers est formé en partie (16%) lors de l’explosion des étoiles massives (plus de 8 fois la masse du Soleil) en fin de vie, appelée supernova de type II. Mais la majeure partie (environ 84%) est formée lors d’explosions de supernova de type Ia, c’est à dire l’explosion d’une naine blanche dans un système binaire, rendue instable par l’accrétion de matière provenant d’un compagnon au stade géante rouge.

Image d’un système binaire où de la matière transferée vers le disque d’accrétion autour d’une naine blanche, pouvant donner lieu ensuite à l’explosion d’une supernova de type Ia - Crédit photo : NASA

Historique  : L’oxyde de manganèse est connu depuis la préhistoire. Il était, en effet, utilisé comme pigment noir pour les peintures rupestres (on a trouvé des traces datant de plus de -17 000 ans). A partir de l’antiquité il est également utilisé par les égyptiens et les romains pour modifier la couleur des verres et des céramiques. Par exemple, la magnésie noire était utilisée pour blanchir le verre.

Peinture rupestre Lascaux II : le manganèse, sous forme d’oxyde de manganèse, était utilisé par les hommes préhistoriques comme pigment noir pour les peintures sur les parois des grottes - Crédit photo : Institut UTINAM

En 1774, le chimiste suédois Carl Wilhelm Scheele présente les résultats de plusieurs années d’études consacrées en partie à la pyrolusite. Il y annonce que celle-ci comporte un élément encore inconnu. La même année, il fait parvenir un échantillon de pyrolusite purifiée à son collègue Johan Gottlieb Gahn. Celui-ci parvient à réduire l’oxyde de manganèse avec du carbone et obtient pour la première fois du manganèse métallique pur.

Le manganèse dans la vie courante  : Oxyde de manganèse dans les piles alcalines
La pile alcaline zinc-dioxyde de manganèse (Zn-MnO2) tire son nom du fait que ses deux électrodes, l’électrode négative en zinc et l’électrode positive en dioxyde de manganèse, sont plongées dans un électrolyte alcalin d’hydroxyde de potassium, par opposition à l’électrolyte acide de la pile saline.

  • Pile saline : 2MnO2 + Zn + H+ -> 2MnO(OH) + Zn2+
  • Pile alcaline : 2MnO2 + Zn + H2O-> 2MnO(OH) + ZnO avec KOH (35-52%) (meilleure conductibilité)

La pile alcaline a remplacé la pile saline dans l’usage domestique. La pile alcaline à l’oxyde de manganèse présente en effet des performances notablement améliorées par rapport à la pile saline, pour un coût un peu supérieur. Elle est commercialisée sous sa forme actuelle depuis la fin des années 1950. Elle constitue de loin la technologie la plus répandue aujourd’hui puisqu’elle occupe à peu près 75% du marché français.

Piles alcalines (Zn-MnO2) - Crédit photo : Institut UTINAM

Le manganèse à l’Institut UTINAM  : Le permanganate pour remplacer le chrome hexavalent
Le chrome sous son degré d’oxydation +6 (chrome hexavalent) est très utilisé dans le domaine des traitements de surface. Il possède en effet un pouvoir oxydant élevé et est un excellent inhibiteur de corrosion. Mais compte-tenu de sa toxicité élevée, de nombreux travaux de recherche sont menés pour sa substitution (voir fiche du chrome).
A l’Institut UTINAM, le permanganate de potassium, ayant un pouvoir oxydant élevé, est testé dans les traitements de surface de l’aluminium. KMnO4 est mis en œuvre dans la conversion chimique et électrochimique de l’aluminium pour former une couche de protection contre la corrosion. Ces procédés ne sont toutefois pas encore aussi performants et stables que ceux utilisant le chrome VI.