Mangan: 4 nguyên tử trong chiếc lá làm ra oxy cho cả hành tinh

Người Neanderthal đã dùng mangan để vẽ

Ở hang Pech-de-l'Azé, tây nam nước Pháp, các nhà khảo cổ tìm được những khối mangan đioxit có vết mài và vết khoét. Người Neanderthal đã chế tác chúng thành công cụ khoảng 50.000 năm trước. Ngoài việc nghiền thành bột đen để vẽ, có thể họ còn rắc bột ấy vào gỗ cho dễ bén lửa. Mangan đioxit hạ thấp nhiệt độ bắt cháy của gỗ.

Muộn hơn nhiều, khoảng 17.000–22.000 năm trước, sắc tố chứa mangan lại xuất hiện trong tranh hang Lascaux, làm nên những nét viền đen của đàn ngựa và bò rừng.

Bột đen này có tên từ thời cổ đại là magnesia nigra, nghĩa là magnesia đen. Thợ thuỷ tinh dùng bột này để khử màu lục cho thuỷ tinh, nhưng suốt nhiều thế kỷ không ai biết trong đó có gì. Tên gọi còn gây rối thêm, vì magie cũng lấy tên từ vùng Magnesia của Hy Lạp cổ. Hai nguyên tố vì thế bị lẫn với nhau rất lâu.

Mãi tới năm 1774, nhà hoá học Thuỵ Điển Carl Wilhelm Scheele mới nhận ra magnesia đen chứa một kim loại chưa ai biết. Cùng năm, đồng nghiệp của ông là Johan Gottlieb Gahn nung khoáng này với than và lấy ra được kim loại. Tên "mangan" ra đời từ đó, bắt nguồn từ magnes, tiếng Latin nghĩa là nam châm, hoặc từ chính chữ magnesia nigra.

4 nguyên tử mangan tách nước ra oxy

Quang hợp là chuyện cây lấy nước và khí carbonic rồi nhả ra oxy. Bước khó nhất là tách phân tử nước ra, vì liên kết giữa oxy và hydro rất bền. Trong tự nhiên chỉ có một chỗ làm được việc đó.

Cỗ máy ấy nằm trong một phức hợp protein gọi là Photosystem II. Trái tim của phức hợp là một cụm gồm 4 nguyên tử mangan, một nguyên tử canxi và năm nguyên tử oxy làm cầu nối. Mỗi hạt ánh sáng đập vào đẩy cụm lên một bậc.

Đủ 5 bậc thì hai nguyên tử oxy ghép lại thành một phân tử oxy bay ra, còn cụm trở về bậc đầu. Cứ 4 hạt ánh sáng thì được một phân tử oxy.

Cụm 4 nguyên tử ấy có trong mọi cây xanh, mọi loài tảo và mọi vi khuẩn lam trên Trái Đất. Không có đường nào khác để tạo ra oxy tự do.

Vì sao thép cần mangan

Năm 1856, Henry Bessemer công bố cách luyện thép rẻ chưa từng có. Nhưng mẻ đầu tiên lại giòn, vỡ ngay khi cán nóng. Cùng năm, kỹ sư người Anh Robert Forester Mushet tìm ra cách chữa. Ông đốt sạch tạp chất trong lò, rồi thêm một lượng vừa đủ hợp kim spiegeleisen chứa khoảng 8,5% mangan.

Mangan cứu được mẻ thép là nhờ lưu huỳnh. Mangan bám lưu huỳnh chặt hơn sắt, nên giành lấy trước và tạo thành một hợp chất chịu nhiệt cao. Không có mangan, lưu huỳnh đi với sắt thành một hợp chất chảy ở nhiệt độ thấp.

Hợp chất đó đọng giữa các hạt tinh thể và làm khối thép nứt toác khi cán hay rèn nóng. Ngày nay khoảng 85–90% lượng mangan đào lên đi vào sắt thép.

Ray đường sắt thường chỉ chứa khoảng 1–1,2% mangan. Ở bộ ghi đường ray, nơi bánh tàu nện thẳng xuống, người ta dùng thép Hadfield chứa 12–14% mangan, do Robert Hadfield tạo ra năm 1882. Nghe ngược đời, nhưng loại thép này càng bị đập thì bề mặt càng cứng, có chỗ cứng gấp 3 lần ban đầu, trong khi lõi vẫn dẻo. Máy nghiền đá, máy trộn bê tông và xích máy kéo cũng làm bằng loại thép này.

Trên cạn, Nam Phi đào nhiều nhất, khoảng 7,4 trong tổng số 20 triệu tấn mỗi năm của cả thế giới, tính theo mangan nguyên chất. Ngoài mỏ trên cạn, đáy đại dương ở độ sâu 4.000–6.000 mét còn rải đầy những cục tròn cỡ quả trứng chứa 27–30% mangan.

Chưa ai đào chỗ đó ở quy mô thương mại. Vừa quá sâu, vừa mọc quá chậm, chỉ 2–5 milimet mỗi triệu năm.

Thuốc tím và pin tiểu đều là mangan

Ở Việt Nam, hợp chất mangan quen mặt nhất là kali pemanganat, hay thuốc tím. Đó là tinh thể tím đen, hoà vào nước ra màu hồng tím đậm. Thuốc tím là chất oxy hoá mạnh, dùng trong xử lý nước để loại sắt và khử khí hydro sulfide có mùi trứng thối.

Cũng vì oxy hoá mạnh, cơ quan quản lý dược phẩm Mỹ không cho phép dùng thuốc tím làm thuốc. Thuốc tím chỉ dùng ngoài, tuyệt đối không được uống.

Cục pin tiểu trong điều khiển tivi cũng chạy bằng mangan. Cực dương của pin kiềm là mangan đioxit, chính là bột đen trong hang Pech-de-l'Azé. Khi pin xả, mangan đioxit nhận electron và biến thành một dạng oxit khác. Mỗi năm thế giới làm ra khoảng 500.000 tấn mangan đioxit chỉ để nhồi vào pin khô.

Trong pin lithium của xe điện, mangan làm việc khác. Cực dương phổ biến tên NMC trộn ba kim loại theo tỉ lệ đặt luôn vào tên gọi. NMC622 nghĩa là 60% niken, 20% mangan, 20% coban.

Niken và coban là nơi phản ứng diễn ra. Mangan giữ khung tinh thể khỏi sập sau hàng nghìn lần sạc, và thay được phần coban đắt đỏ.

Cơ thể cần mangan, còn khói mangan gây bệnh thần kinh

Mangan là vi chất thiết yếu. Trong ty thể, nơi tế bào đốt năng lượng, một enzyme tên superoxide dismutase dùng mangan làm lõi. Enzyme này dọn gốc tự do, những mảnh phân tử hung hãn sinh ra trong chính quá trình đốt.

Mức đủ dùng mỗi ngày là 2,3 mg cho nam và 1,8 mg cho nữ. Ngưỡng trên cho người lớn là 11 mg.

Đường hô hấp thì khác hẳn. Hít bụi hoặc khói mangan lâu ngày, ở nồng độ 1–5 miligam trên mỗi mét khối không khí, có thể gây một hội chứng thần kinh giống bệnh Parkinson. Người bệnh phản ứng chậm, dáng đi cứng, giọng nói đều đều, mặt ít biểu cảm, tay run. Khác với Parkinson, bệnh này gần như không đáp ứng thuốc levodopa.

Bệnh được mô tả lần đầu năm 1837. Nhóm nguy cơ cao nhất đến giờ vẫn là thợ mỏ, công nhân luyện kim và thợ hàn hồ quang. Mangan trong que hàn hoá thành khói kim loại mịn ngay trước mặt người hàn.

Vài miligam bụi mangan trong xưởng hàn đủ làm hỏng khả năng điều khiển cơ thể của một người. Còn 4 nguyên tử mangan trong mỗi chiếc lá thì vẫn lặng lẽ làm ra oxy cho tất cả.

5 điều cần nhớ về mangan

1. 1 Cụm 4 nguyên tử mangan trong lá cây là nơi duy nhất trong tự nhiên tách được nước thành oxy.
2. 2 Mangan đioxit là bột màu đen người Neanderthal đã dùng từ khoảng 50.000 năm trước.
3. 3 Khoảng 85–90% lượng mangan đào lên đi vào thép, chủ yếu để bắt lưu huỳnh cho thép khỏi giòn.
4. 4 Thép chứa 12–14% mangan càng bị đập càng cứng bề mặt, nên dùng ở bộ ghi đường ray và hàm máy nghiền.
5. 5 Cơ thể cần 2,3 mg mangan mỗi ngày, nhưng hít khói mangan lâu ngày gây bệnh giống Parkinson.

Khối lượng nguyên tử theo CIAAW/IUPAC 2021; các giá trị còn lại từ PubChem (NCBI/NIH). Cụm tách nước trong Photosystem II, chuyện Scheele và Gahn, thép Bessemer và thép Hadfield, cùng các mốc khảo cổ ở Pech-de-l'Azé và Lascaux theo các trang tổng hợp dẫn nguồn gốc. Sản lượng và trữ lượng mangan trên cạn theo USGS, Mineral Commodity Summaries 2025; đặc điểm kết hạch đáy biển theo các trang tổng hợp dẫn nguồn gốc. Mức đủ dùng và ngưỡng trên theo Viện Y học Hoa Kỳ. Hai nguồn cho hai con số khác nhau về sản lượng mangan đioxit dùng cho pin, nên bài lấy con số mới hơn và chỉ nêu là ước tính. Đối chiếu lại lần cuối 11/09/2026.