Магний. Описание и свойства магния
В нашей стране богатые месторождения магнезита расположены на Среднем Урале (Саткинское) и в Оренбургской области (Халиловское). А в районе города Соликамска разрабатывается крупнейшее в мире месторождение карналлита. Доломит - самый распространенный из магнийсодержащих минералов - встречается в Донбассе, Московской и Ленинградской областях и многих других местах.
Получают металлический магний двумя способами - электротермическим (или металлотермическим) и электролитическим. Как явствует из названий, в обоих процессах участвует электричество. Но в первом случае его роль сводится к обогреву реакционных аппаратов, а восстанавливают окись магния, полученную из минералов, каким-либо восстановителем, например углем, кремнием, алюминием. Этот способ довольно перспективен, в последнее время он находит все большее применение. Однако основной промышленный способ получения Mg - второй, электролитический.
Электролитом служит расплав безводных хлоридов магния, калия и натрия; металлический магний выделяется на железном катоде, а на графитовом аноде разряжаются ионы хлора. Процесс идет в специальных ваннах-электролизерах. Расплавленный магний всплывает на поверхность ванны, откуда его время от времени выбирают вакуум-ковшом и затем разлива гот по формам. Но на этом процесс не заканчивается: в таком магнии еще слишком много примесей. Поэтому неизбежен второй этап - очистка Mg. Рафинировать магний можно двумя путями - переплавкой и флюсами или возгонкой в вакууме. Смысл первого метода общеизвестен: специальные добавки - флюсы - взаимодействуют с примесями и превращают их в соединения, которые легко отделить от металла механическим нут ем. Второй метод - вакуумная возгонка - требует более сложной аппаратуры, но с его помощью получают более чистый магний. Возгонку ведут в специальных вакуум-аппаратах - стальных цилиндрических ретортах. «Черновой» металл помещают на дно реторты, закрывают ее и выкачивают воздух. Затем нижнюю часть реторты нагревают, а верхняя все время охлаждается наружным воздухом. Под действием высокой температуры магний возгоняется - переходит в газообразное состояние, минуя жидкое. Пары его поднимаются и конденсируются на холодных стенках верхней части реторты. Таким путем можно получать очень чистый металл, содержащий свыше 99,99% магния.
Из царства Нептуна
Но не только земная кора богата магнием - практически неисчерпаемые и постоянно пополняющиеся запасы его хранят голубые кладовые океанов и морей. В каждом кубометре морской воды содержится около 4 кг магния. Всего же в водах мирового океана растворено более 64016 т этого элемента.
Добыча магния
Как добывают магний из моря? Морскую воду смешивают в огромных баках с известковым молоком, приготовленным из перемолотых морских раковин. При этом образуется так называемое магнезиальное молоко, которое высушивается и превращается в хлорид магния. Ну, а дальше в ход идут электролитические процессы.
Источником магния может быть не только морская вода, но и вода соленых озер, содержащая хлористый магний. У нас в стране такие озера есть: в Крыму - Сакское и Сасык-Сивашское, в Поволжье - озеро Эльтон и многие другие.
Для каких целей используют элемент № 12 и его соединения?
Магний чрезвычайно легок, и это свойство могло бы сделать его прекрасным конструкционным материалом, но, увы - чистый магнии мягок и непрочен. Поэтому конструкторы используют магний в виде сплавов его с другими металлами. Особенно широко применяются сплавы магния с алюминием, цинком и марганцем . Каждый из компонентов вносит свой «пай» в общие свойства: алюминий и цинк увеличивают прочность сплава, марганец повышает его антикоррозионную стойкость. Ну, а магний? Магний придает сплаву легкость - детали из магниевого сплава на 20-30% легче алюминиевых и на 50-75% - чугунных и стальных... Есть немало элементов, которые улучшают магниевые сплавы, повышают их жаростойкость и пластичность, делают устойчивее к окислению. Это литий , бериллий , кальций , церий , кадмий , титан и другие.
Магниевая ракета не взлетит, но...
Но есть, к сожалению, и «враги» - железо, кремний , никель ; они ухудшают механические свойства сплавов, уменьшают их сопротивляемость коррозии.
Магниевые сплавы находят широкое применение. Авиация и реактивная техника, ядерные реакторы, детали моторов, баки для бензина и масла, приборы, корпуса вагонов, автобусов, легковых автомобилей, колеса, масляные насосы, отбойные молотки, пневмобуры, фото и киноаппараты, бинокли - вот далеко не полный перечень областей применения магниевых сплавов.
Немалую роль играет магний в металлургии. Он применяется как восстановитель в производстве некоторых ценных металлов - ванадия , хрома , титана, циркония . Магний, введенный в расплавленный чугун, модифицирует его, т. е. улучшает его структуру и повышает механические свойства. Отливки из модифицированного чугуна с успехом заменяют стальные поковки. Кроме того, металлурги используют магний для раскисления стали и сплавов.
Свойство магния (в виде порошка, проволоки или ленты) - гореть белым ослепительным пламенем - широко используется в военной технике для изготовления осветительных и сигнальных ракет, трассирующих пуль и снарядов, зажигательных бомб. Хорошо знакомы с магнием фотографы: «Спокойно! Снимаю!» - и яркая вспышка магния на мгновение ослепляет вас. Впрочем, в этой роли магний выступает все реже - электрическая лампа «блиц» вытеснила его практически повсеместно.
Применение магния
И еще в одной грандиозной работе - аккумуляции солнечной энергии - участвует магний. Он входит в состав хлорофилла, который поглощает солнечную энергию и с ее помощью превращает углекислый газ и воду в сложные органические вещества (сахар, крахмал и др.), необходимые для питания человека и животных. Без хлорофилла не было бы жизни, а без магния не было бы хлорофилла - в нем содержится 2% этого элемента. Много ли это? Судите сами: общее количество магния в хлорофилле всех растений Земли составляет около 100 млрд. т! Элемент № 12 входит и в состав практически всех живых организмов.
Если вы весите 60 кг, то приблизительно 25 г из них приходится на магний. Услугами магния широко пользуется медицина: всем хорошо знакома «английская соль» MgSO 4 -7H 2 O. При приеме внутрь она служит надежным и быстродействующим слабительным, а при внутримышечных или внутривенных вливаниях снимает судорожное состояние, уменьшает спазмы сосудов. Чистая окись магния (жженая магнезия) применяется при повышенной кислотности желудочного сока, изжоге, отравлении кислотами. Перекись магния служит дезинфицирующим средством при желудочных расстройствах.
Но медициной не ограничиваются области применения соединений магния. Так, окись магния используют в производстве цементов, огнеупорного кирпича, в резиновой промышленности. Перекись магния («новозон») применяют для отбелки тканей. Сернокислый магний используют в текстильной и бумажной промышленности, как протраву при крашении, водный раствор хлорида магния - для приготовления магнезиального цемента, ксилолита и других синтетических материалов. Карбонат магния MgCO 3 находит применение в производстве теплоизоляционных материалов.
И, наконец, еще одно обширное поле деятельности магния - органическая химия. Магниевый порошок используют для обезвоживания таких важных органических веществ, как спирт я анилин. Магнийорганические соединения широко применяют при синтезе многих органических веществ.
Итак, деятельность магния в природе и народном хозяйстве весьма многогранна. Но вряд ли правы те, кто думает: «все, что мог, он уже совершил». Есть все основания считать, что лучшая роль магния - впереди.
Продукты содержащие магний - СЫРЬЕ НА МОСТОВОЙ. При желании магний можно добывать даже из... простого булыжника: ведь в каждом килограмме камня, используемого для мощения дорог, содержится примерно 20 г магния. В таком процессе, правда, пока нет необходимости - магний из дорожного камня был бы слишком дорогим удовольствием.
- МАГНИЙ, СЕКУНДА И ЭРА. Сколько содержится магния в океане? Представим себе, что с первых дней нашей эры люди начали равномерно и интенсивно добывать магний из морской воды и к сегодняшнему дню исчерпали все водные запасы этого элемента. Как вы думаете, какова должна быть «интенсивность» добычи? Оказывается, каждую секунду в течение почти 2000 лет надо было бы добывать по. миллиону тонн! А ведь даже во время второй мировой войны, когда производство этого металла было максимальным, из морской воды получали ежегодно (!) всего лишь по 80 тыс. т магния.
- ВКУСНЫЕ ЛЕКАРСТВА. Статистика утверждает, что у жителей районов с более теплым климатом спазмы кровеносных сосудов случаются реже, чем у северян. Медицина объясняет это особенностями питания тех и других. Ведь известно, что внутривенные и внутримышечные вливания растворов некоторых солей магния снимают спазмы и судороги. Накопить в организме необходимый запас этих солей помогают фрукты и овощи. Особенно богаты магнием абрикосы , персики и цветная капуста . Есть он и в обычной капусте, картофеле, помидорах.
- ОСТОРОЖНОСТЬ HE ПОВРЕДИТ. Работа со сплавами магния иногда причиняет немало хлопот - магний легко окисляется. Плавку и литье этих сплавов приходится вести под слоем шлака - иначе расплавленный металл может загореться от соприкосновения с воздухом.
При шлифовке или полировке магниевых изделий над станком обязательно устанавливается раструб пылеотсасывающего устройства, потому что распыленные в воздухе мельчайшие частицы магния создают взрывоопасную смесь.
Однако это не значит, что всякая работа с магнием чревата опасностью пожара или взрыва. Поджечь магний можно, только расплавив его, а сделать это в обычных условиях не так-то просто - большая теплопроводность сплава не позволит спичке или даже факелу превратить литые изделия в белый порошок окиси. А вот со стружкой или топкой лентой из магния нужно действительно обращаться очень осторожно.
- ЖДАТЬ HE ПРИДЕТСЯ. Обычные радиолампы начинают нормально работать лишь после того, как их сетки нагреются до 800°С. Каждый раз, когда вы включаете радиоприемник или телевизор, приходится некоторое время ждать, прежде чем польются звуки музыки или замерцает голубой экран. Чтобы устранить этот недостаток радиоламп, польские ученые с кафедры электротехники Вроцлавского политехнического института предложили покрывать катоды ламп MgO: такие лампы начинают работать тотчас же после включения.
- ПРОБЛЕМА ЯИЧНОЙ СКОРЛУПЫ. Несколько лет назад ученые Миннесотского университета в США избрали объектом научного исследования яичную скорлупу. Им удалось установить, что скорлупа тем прочнее, чем больше она содержит магния. Значит, изменяя состав корма для несушек, можно повысить прочность скорлупы. О том, сколь важен этот вывод для сельского хозяйства, можно судить хотя бы по таким цифрам: только в штате Миннесота ежегодные потери из-за боя яиц превышают миллион долларов. Уж тут никто не скажет, что эта работа ученых «яйца выеденного не стоит».
- МАГНИЙ И... ИНФАРКТ. Опыты, проведенные венгерскими учеными на животных, показали, что недостаток Mg в организме повышает предрасположенность к инфарктам. Одним собакам давали пищу, богатую солями этого элемента, другим - бедную. К концу эксперимента те собаки, в рационе которых было мало магния, «заработали» инфаркт миокарда.
- БЕРЕГИТЕ МАГНИЙ! Французские биологи считают, что магний поможет медикам в борьбе с таким серьезным недугом XX в., как переутомление. Исследования показывают, что в крови уставших людей содержится меньше магния, чем у здоровых, а даже самые ничтожные отклонения «магниевой крови» от нормы не проходят бесследно.
Важно помнить, что в тех случаях, когда человек часто и по любому поводу раздражается, магний, содержащийся в организме, «сгорает». Вот почему у нервных, легко возбудимых людей нарушения работы сердечных мышц наблюдаются значительно чаще.
- УГЛЕКИСЛЫЙ МАГНИЙ И ЖИДКИЙ КИСЛОРОД. Большие емкости для хранения жидкого кислорода, как правило, изготовляются в форме цилиндра или шара - чтобы меньше были потери тепла. Но удачно выбранная форма хранилища - это еще не все. Нужна надежная теплоизоляция. Можно в этих целях воспользоваться глубоким вакуумом (как в сосуде Дьюара), можно минеральной ватой, но часто между внутренней к внешней стенкой хранилища засыпают рыхлый порошок углекислого магния. Эта теплоизоляция и дешева, и надежна.
Магний – лёгкий серебристо-белый металл, блестящий, но тускнеющий на воздухе из-за образования защитной оксидной плёнки на его поверхности. Химическая формула магния – Mg. 12 - атомный номер магния в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева.
Магний довольно распространён в земной коре. Опережают магний в этом плане только кислород, кремний, алюминий, железо и кальций. В природе он встречается в виде соединений. Важнейшие минералы, содержащие магний – магнезит MgCO 3 и двойная соль доломит CaMg 2 . Огромные запасы магния содержатся в морях и океанах в виде MgCl 2 . Науке известно около 1500 минералов. И почти 200 из них содержат магний.
Получение магния
Как же был открыт магний?
В 1695 г. английский врач Крю проводил анализы минеральной воды из источника поблизости города Эпсом. При упаривании этой воды на стенках сосуда образовалась белая соль c горьким вкусом. Эта соль обладала лечебными свойствами. Аптекари называли эту соль английской или эпсонской. Позже соль получила название белой магнезии из-за своего сходства с белым порошком, который получали, прокаливая минерал, обнаруженный вблизи греческого города Магнезии.
Металл магний впервые удалось получить в 1808 г. британскому химику Хемфри Дэви. Дэви подвергал электролизу смесь белой магнезии и окиси ртути. В результате он получил сплав ртути и неизвестного металла. Выделив металл, Дэви предложил назвать его магнием. Но магний, полученный Дэви, содержал примеси. Чистый, без примесей, магний удалось получить только в 1829 г. французскому химику Антуану Бюсси.
Химические свойства магния
Магний – активный металл. И как все активные металлы, он хорошо горит. В обычных условиях его поверхность защищена оксидной плёнкой. Но при нагревании до 600 градусов плёнка разрушается, и магний реагирует с кислородом. Продукт горения магния – оксид магния, белый порошок.
2Mg + O 2 = 2MgO
При горении выделяется много тепла и света. Причём по своему спектральному анализу свет при горении магния почти такой же, как солнечный свет. Это свойство использовали первые фотографы более 100 лет назад. Горение магниевого порошка с добавками перманганата калия или нитрата бария освещало объект фотографирования, что позволяло делать чёткие снимки в закрытом помещении, где освещение было недостаточным.
Магний вступает в реакцию с водой только при нагревании. В результате этой реакции выделяется водород.
Mg + 2H 2 O = Mg(OH) 2 + H 2
Горит магний и в среде углекислого газа.
2Mg + C O 2 = 2MgO + C
С галогенами магний взаимодействует при комнатной температуре.
Mg + Br 2 = MgBr 2
С серой магний вступает в реакцию только при нагревании, образуя сульфид магния.
Mg + S = MgS
В реакцию со щелочами магний не вступает.
Получение магния
Металлический магний получают электротермическим или электролитическим способом.
В первом случае магнезит или доломит, находящиеся в реакционном аппарате, прокаливают. В результате получают окись магния MgO. Затем окись магния восстанавливается алюминием, кремнием или углем. Так получают чистый магний.
Но основным промышленным способом получения магния является электролитический. В специальных ваннах-электролизёрах находится расплав хлорида магния MgCl2. В результате электролиза на железном катоде выделяется магний, а на графитовом аноде собираются ионы хлора. Расплавленный магний собирают и разливают по формам. Затем магний проходит очистку от примесей.
Применение магния
Способность магния легко взаимодействовать с кислородом позволяет использовать его в производстве стали для удаления кислорода, растворённого в расплавленных металлах. Магниевый порошок применяется в ракетостроении как высококалорийное горючее. Высокоочищенный магний используют в производстве полупроводников.
Магний – самый лёгкий из металлов. Он в четыре раза легче железа и в полтора раза легче алюминия. В чистом виде магний мягкий и непрочный. Из него нельзя делать технические конструкции. Но механическая прочность магния значительно повышается, если в него добавить цинк, алюминий или марганец. Добавки вводят в небольшом количестве, чтобы не увеличить удельный вес магния. К сожалению, эти сплавы при нагревании теряют свою прочность. Но если к ним добавить цинк, медь, серебро, бериллий, торий, цирконий, титан, то они сохраняют свою механическую прочность даже при повышении температуры. Корпуса из магниевых сплавов можно обнаружить в мобильных телефонах, видеокамерах, ноутбуках. Кроме того, детали из магниевых сплавов поглощают вибрацию в 100 раз лучше алюминия и в 20 раз лучше легированной стали. Поэтому их широко применяют в авиации, автомобилестроении и других областях техники.
Соединения магния были известны человеку очень давно. Магнезитом (по-гречески Magnhsia oliqV) называли мягкий белый, мылкий на ощупь минерал (мыльный камень, или тальк), который находили в районе Магнезии в Фессалии. При прокаливании этого минерала получали белый порошок, который стали именовать белой магнезией.
В 1695 Н.Гро, выпаривая минеральную воду Эпсомского источника (Англия), получил соль, обладавшую горьким вкусом и слабительным действием (MgSO 4 ·7H 2 O). Спустя несколько лет выяснилось, что при взаимодействии с содой или поташом эта соль образует белый рыхлый порошок, такой же, какой образуется при прокаливании магнезита.
В 1808 английский химик и физик Гемфри Дэви при электролизе слегка увлажненной белой магнезии с окисью ртути в качестве катода получил амальгаму нового металла, способного образовывать белую магнезию. Его назвали магнием. Дэви получил загрязненный металл, а чистый магний был выделен лишь в 1829 французским химиком Антуаном Бюсси (Bussy Antoine) (1794–1882).
Распространение магния в природе и его промышленное извлечение.
Магний есть в кристаллических горных породах в виде нерастворимых карбонатов или сульфатов, а также (в менее доступной форме) в виде силикатов. Оценка его общего содержания существенно зависит от используемой геохимической модели, в частности, от весовых отношений вулканических и осадочных горных пород. Сейчас используются значения от 2 до 13,3%. Возможно, наиболее приемлемым является значение 2,76%, которое по распространенности ставит магний шестым после кальция (4,66%) перед натрием (2,27%) и калием (1,84%).
Большие области суши, такие как Доломитовые Альпы в Италии состоят преимущественно из минерала доломита MgCa(CO 3) 2 . Там встречаются и осадочные минералы магнезит MgCO 3 , эпсомит MgSO 4 ·7H 2 O, карналлит K 2 MgCl 4 ·6H 2 O, лангбейнит K 2 Mg 2 (SO 4) 3 .
Залежи доломита есть во многих других районах, в том числе в Московской и Ленинградской областях. Богатые месторождения магнезита найдены на Среднем Урале и в Оренбургской области. В районе г.Соликамска разрабатывается крупнейшее месторождение карналлита. Силикаты магния представлены базальтовым минералом оливином (Mg,Fe) 2 (SiO 4), мыльным камнем (тальк) Mg 3 Si 4 O 10 (OH) 2 , асбестом (хризотил) Mg 3 Si 2 O 5 (OH) 4 и слюдой. Шпинель MgAl 2 O 4 относится к драгоценным камням.
Большое количество магния содержится в водах морей и океанов и в природных рассолах (см . ХИМИЯ ГИДРОСФЕРЫ). В некоторых странах именно они являются сырьем для получения магния. По содержанию в морской воде из металлических элементов он уступает только натрию. В каждом кубометре морской воды содержится около 4 кг магния. Магний есть и в пресной воде, обусловливая, наряду с кальцием, ее жесткость.
Магний всегда содержится в растениях, так как входит в состав хлорофиллов.
Характеристика простого вещества и промышленное получение металлического магния.
Магний – серебристо-белый блестящий металл, сравнительно мягкий, пластичный и ковкий. Его прочность и твердость минимальны по распространенности для литых образцов, выше – для прессованных.
В обычных условиях магний устойчив к окислению за счет образования прочной оксидной пленки. Вместе с тем он активно реагирует с большинством неметаллов, особенно при нагревании. Магний воспламеняется в присутствии галогенов (при наличии влаги), образуя соответствующие галогениды, и горит ослепительно ярким пламенем на воздухе, превращаясь в оксид MgO и нитрид Mg 3 N 2:
2Mg (к) + O 2(г) = 2MgO (к) ; DG° = –1128 кДж/моль
3Mg (к) + N 2(т) = Mg 3 N 2(к) ; DG° = –401 кДж/моль
Несмотря на невысокую температуру плавления (650° С), расплавить магний на воздухе невозможно.
При действии водорода под давлением 200 атм при 150° С магний образует гидрид MgH 2 . С холодной водой магний не реагирует, но из кипящей воды вытесняет водород и образует гидроксид Mg(OH) 2:
Mg + 2H 2 O = Mg(OH) 2 + H 2
По окончании реакции величина рН (10,3) образовавшегося насыщенного раствора гидроксида магния отвечает равновесию:
В последнем случае образующую смесь монооксида углерода и паров магния необходимо быстро охлаждать инертным газом для предотвращения обратной реакции.
Мировое производство магния приближается к 400 тыс. т в год. Главными производителями являются США (43%), страны СНГ (26%) и Норвегия (17%). В последние годы резко наращивает экспорт магния Китай. В России одним из крупнейших производителей магния являются титано-магниевый комбинат в г.Березники (Пермская обл.) и Соликамский магниевый завод. Производство магния разворачивается также в г. Асбест.
Магний – самый легкий конструкционный материал, используемый в промышленных масштабах. Его плотность (1,7 г см –3) составляет менее двух третей плотности алюминия. Сплавы магния весят вчетверо меньше стали. Кроме того, магний прекрасно обрабатывается и может быть отлит и переделан любыми стандартными методами металлообработки (прокатка, штамповка, волочение, ковка, сварка, пайка, клепка). Поэтому его основная область применения – в качестве легкого конструкционного металла.
Магниевые сплавы обычно содержат более 90% магния, а также 2–9% алюминия, 1–3% цинка и 0,2–1% марганца. Сохранение прочности при высокой температуре (до 450° С) заметно улучшается при сплавлении с редкоземельными металлами (например, празеодимом и неодимом) или торием. Эти сплавы можно использовать для корпусов автомобильных двигателей, а также фюзеляжей и шасси самолетов. Магний применяют не только в авиации, но и для изготовления лестниц, мостков в доках, грузовых платформ, транспортеров и подъемников, а также в производстве фотографического и оптического оборудования.
В промышленный алюминий добавляют до 5% магния для улучшения механических свойств, свариваемости и устойчивости к коррозии. Магний также применяют для катодной защиты других металлов от коррозии, как поглотитель кислорода и восстановитель при производстве бериллия, титана, циркония, гафния и урана. Смеси порошка магния с окислителями используют в пиротехнике для приготовления осветительных и зажигательных составов.
Соединения магния.
Преобладающая степень окисления (+2) для магния обусловлена его электронной конфигурацией, энергиями ионизации и размерами атома. Степень окисления (+3) невозможна, так как третья энергия ионизации составляет для магния 7733 кДж моль –1 . Эта энергия гораздо выше, чем можно компенсировать образованием дополнительных связей, даже если они будут преимущественно ковалентными. Причины неустойчивости соединений магния в степени окисления (+1) менее очевидны. Оценка энтальпии образования таких соединений показывает, что они должны быть устойчивыми по отношению к составляющим их элементам. Причиной того, что соединения магния(I) не устойчивы, является гораздо более высокое значение энтальпии образования соединений магния(II), что должно привести к быстрому и полному диспропорционированию:
Mg(к) + Cl 2 (г) = MgCl 2 (к);
DН ° обр = –642 кДж/(моль MgCl 2)
2Mg(к) + Cl 2 (г) = 2MgCl(к);
DН ° обр = –250 кДж/(2 моль MgCl)
2MgCl(к) = Mg(к) + MgCl 2 (к);
DН ° диспроп = –392 кДж/(2 моль MgCl)
Если будет найден путь синтеза, который затруднит диспропорционирование, такие соединения, возможно, будут получены. Имеются некоторые доказательства образование частиц магния(I) при электролизе на магниевых электродах. Так, при электролизе NaCl на магниевом аноде выделяется водород, а количество магния, потерянное анодом, соответствует заряду +1,3. Аналогично при электролизе водного раствора Na 2 SO 4 количество выделившегося водорода соответствует окислению воды ионами магния, заряд которых соответствует +1,4.
Большинство солей магния хорошо растворяются в воде. Процесс растворения сопровождается незначительным гидролизом. Полученные растворы имеют слабокислотную среду:
2+ + H 2 O + + H 3 O +
Соединения магния со многими неметаллами, в том числе с углеродом, азотом, фосфором, серой необратимо гидролизуются водой.
Гидрид магния состава МgН 2 представляет собой полимер с мостиковыми атомами водорода. Координационное число магния в нем равно 4. Такое строение приводит к резкому снижению термической устойчивости соединения. Гидрид магния легко окисляется кислородом воздуха и водой. Эти реакции сопровождаются большим выделением энергии.
Нитрид магния Mg 3 N 2 . Образует желтоватые кристаллы. При гидролизе нитрида магния образуется гидрат аммиака:
Mg 3 N 2 + 8H 2 O = 3Mg(OH) 2 + 2NH 3 ·H 2 O
Если гидролиз нитрида магния проводить в щелочной среде, гидрат аммиака не образуется, а выделяется газообразный аммиак. Гидролиз в кислотной среде приводит к образованию катионов магния и аммония:
Mg 3 N 2 + 8H 3 O + = 3Mg 2+ + 2NH 4 + + 8H 2 O
Магния оксид MgO называют жженой магнезией. Его получают обжигом магнезита, доломита, основного карбоната магния, гидроксида магния, а также прокаливанием бишофита MgCl 2 ·6H 2 O в атмосфере водяного пара.
Реакционная способность оксида магния зависит от температуры его получения. Оксид магния, приготовленный при 500–700° С, называют легкой магнезией. Он легко реагирует с разбавленными кислотами и водой с образованием соответствующих солей или гидроксида магния, поглощает диоксид углерода и влагу из воздуха. Оксид магния, полученный при 1200–1600° С носит название тяжелой магнезии. Он характеризуется кислотостойкостью и водостойкостью.
Оксид магния широко используется как жаростойкий материал. Он отличается одновременно высокой теплопроводностью и хорошими электроизолирующими свойствами. Поэтому это соединение применяется в изолирующих радиаторах для местного нагрева.
Более легкие сорта магнезий используют для приготовления магнезиального цемента и строительных материалов на его основе, а также в качестве вулканизирующего агента в резиновой промышленности.
Гидроксид магния Mg(OH) 2 образует бесцветные кристаллы. Растворимость этого соединения невелика (2·10 –4 моль/л при 20° С). Его можно перевести в раствор действием солей аммония:
Mg(OH) 2 + 2NH 4 Cl = MgCl 2 + 2NH 3 ·H 2 O
Гидроксид магния термически неустойчив и при нагревании разлагается:
Mg(OH) 2 = MgO + H 2 O
В промышленных масштабах гидроксид магния получают осаждением известью из морской воды и природных рассолов.
Гидроксид магния является мягким основанием, которое в виде водного раствора (магнезиальное молоко) широко используется для снижения кислотности желудочного сока. При этом, несмотря на мягкость, Mg(OH) 2 нейтрализует кислоты в 1,37 раз больше, чем гидроксид натрия NaOH и в 2,85 раз больше, чем гидрокарбонат натрия NaHCO 3 .
Его используют также для получения оксида магния, рафинирования сахара, очистки воды в котельных установках, в качестве компонента зубных паст.
Карбонат магния MgCO 3 образует бесцветные кристаллы. Он встречается в природе в безводном виде (магнезит). Кроме того, известны пента-, три- и моногидраты карбоната магния.
Растворимость карбоната магния в отсутствие диоксида углерода составляет около 0,5 мг/л. В присутствии избытка диоксида углерода и воды карбонат магния переходит в растворимый гидрокарбонат, а при кипячении происходит обратный процесс. С кислотами карбонат и гидрокарбонат взаимодействуют с выделением диоксида углерода и образованием соответствующих солей. При нагревании карбонат магния, не плавясь, разлагается:
MgCO 3 = MgO + CO 2
Этот процесс используют для получения оксида магния. Кроме того, природный карбонат магния является исходным сырьем для получения металлического магния и его соединений. Его используют также в качестве удобрений и для снижения кислотности почв.
Рыхлый порошок карбоната магния засыпают между двойными стенками хранилищ для жидкого кислорода. Эта теплоизоляция дешева и надежна.
Сульфат магния MgSO 4 известен в безводном состоянии, а также в виде различных гидратов. В природе встречаются кизерит MgSO 4 ·H 2 O, эпсомит MgSO 4 ·7H 2 O и гексагидрат MgSO 4 ·6H 2 O.
В медицине используется гептагидрат сульфата магния MgSO 4 ·7H 2 O, широко известный под названиями английская или горькая соль. Это соединение обладает слабительным действием. При внутримышечных или внутривенных вливаниях сульфат магния снимает судорожное состояние, уменьшает спазмы сосудов.
Сульфат магния применяют в текстильной и бумажной промышленности как протраву при крашении, а также в качестве утяжелителя хлопка и шелка и наполнителя бумаги. Он служит сырьем для получения оксида магния.
Нитрат магния Mg(NO 3) 2 представляют собой бесцветные гигроскопичные кристаллы. Растворимость в воде при 20° С составляет 73,3 г на 100 г. Из водных растворов кристаллизуется гексагидрат. Выше 90° С он обезвоживается до моногидрата. Затем происходит отщепление воды с частичным гидролизом и разложение до оксида магния. Этот процесс используется при синтезе оксида магния особой чистоты. Из нитрата магния получают нитраты других металлов, а также различные соединения магния. Кроме того, нитрат магния входит в состав сложных удобрений и пиротехнических смесей.
Перхлорат магния Mg(ClO 4) 2 образует очень гигроскопичные бесцветные кристаллы. Он хорошо растворим в воде (99,6 г на 100 г) и органических растворителях. Из водных растворов кристаллизуется гексагидрат. Концентрированные растворы перхлората магния в органических растворителях и его сольваты с молекулами восстановителей взрывоопасны.
Частично гидратированный перхлорат магния, содержащий 2–2,5 молекул воды, выпускают под коммерческим названием «ангидрон». Для получения безводного перхлората магния его сушат в вакууме при 200–300° С. Его используют как осушитель газов. Он поглощает не только пары воды, но и аммиак, пары спиртов, ацетона и других полярных веществ.
Перхлорат магния применяют в качестве катализатора ацилирования по реакции Фриделя – Крафтса, а также как окислитель в микроанализе.
Фторид магния MgF 2 мало растворим в воде (0,013 г в 100 г при 25° С). Он встречается в природе в виде минерала селаита. Получают фторид магния взаимодействием сульфата или оксида магния с фтороводородной кислотой или хлорида магния с фторидом калия или аммония.
Фторид магния входит в состав флюсов, стекол, керамики, эмалей, катализаторов, смесей для получения искусственной слюды и асбеста. Кроме того, он является оптическим и лазерным материалом.
Хлорид магния MgCl 2 является одной из наиболее промышленно важных солей магния. Его растворимость составляет 54,5 г на 100 г воды при 20° С. Концентрированные водные растворы хлорида магния растворяют оксид магния. Из полученных растворов кристаллизуются MgCl 2 ·mMg(OH) 2 ·nH 2 O. Эти соединения входят в состав магнезиальных цементов.
Хлорид магния образует кристаллогидраты с 1, 2, 4, 6, 8 и 12 молекулами воды. С ростом температуры число молекул кристаллизационной воды уменьшается.
В природе хлорид магния встречается в виде минералов бишофита MgCl 2 ·6H 2 O, хлормагнезита MgCl 2 , а также карналлита. Он содержится в морской воде, рапе соляных озер, некоторых подземных рассолах.
Безводный хлорид магния используют в производстве металлического магния и оксида магния, гексагидрат – для получения магнезиальных цементов. Водный раствор хлорида магния применяют как хладагент и антифриз. Он служит средством против обледенения летных полей аэродромов, железнодорожных рельсов и стрелок, а также против смерзания угля и руд. Раствором хлорида магния пропитывают древесину для придания ей огнестойкости.
Бромид магния MgBr 2 хорошо растворим в воде (101,5 г на 100 г при 20° С). Из водных растворов кристаллизуется от –42,7 до 0,83° С в виде декагидрата, при более высокой температуре – в виде гексагидрата. Он образует многочисленные кристаллосольваты, такие как MgB 2 ·6ROH (R = Me, Et, Pr), MgBr 2 ·6Me 2 CO, MgBr 2 ·3Et 2 O, а также аммины MgBr 2 ·n NH 3 (n = 2–6).
Комплексные соединения магния . В водных растворах ион магния существует в виде аквакомплекса 2+ . В неводных растворителя, например в жидком аммиаке, ион магния образует комплексы с молекулами растворителя. Из таких растворов обычно кристаллизуются сольваты солей магния. Известно несколько галогенидных комплексов типа MX 4 2– , где Х – галогенид-анион.
Среди комплексных соединений магния особое значение имеют хлорофиллы, являющиеся модифицированными порфириновыми комплексами магния. Они являются жизненно важными для фотосинтеза в зеленых растениях.
Магнийорганические соединения . Для магния получены многочисленные соединения, содержащие связи металл – углерод. Особенно много исследований посвящено реактивам Гриньяра RMgX (X = Cl, Br, I).
Реактивы Гриньяра – самые важные металлоорганические соединения магния и, вероятно, наиболее используемые металлоорганические реагенты. Это связано с легкостью их получения и синтетической разносторонности. Установлено, что в растворе эти соединения могут содержать разнообразные химические частицы, находящиеся в подвижном равновесии.
Реактивы Гриньяра обычно получают медленным добавлением органического галогенида к взвеси магниевых стружек в соответствующем растворителе при интенсивном перемешивании и полном отсутствии воздуха и влаги. Реакция обычно начинается медленно. Она может быть инициирована маленьким кристалликом иода, который разрушает защитный слой на поверхности металла.
Реактивы Гриньяра широко применяются для синтеза спиртов, альдегидов, кетонов, карбоновых кислот, эфиров и амидов и, вероятно, являются самыми важными реагентами для создания связей углерод–углерод, а также связей между атомами углерода и других элементов (азот, кислород, сера и т.д.).
Соединения R 2 Mg обычно разлагаются при нагревании. В кристаллическом состоянии они имеют структуру линейных полимеров с мостиковыми алкильными группами. Соединение MgMe 2 представляет собой нелетучий полимер, устойчивый до ~250° С, не растворимый в углеводородах и лишь немного растворимый в эфире. Соединение MgEt 2 и более высокие гомологи очень похожи на MgMe 2 , но они разлагаются при более низкой температуре (175–200° С), образуя соответствующий алкен и MgH 2 по реакции, обратной их получению. Похож на них и MgPh 2 ; он не растворим в бензоле, растворяется в эфире с образованием мономерного комплекса MgPh 2 ·2Et 2 O и разлагается при 280° С с образованием Ph 2 и металлического магния.
Биологическая роль магния.
Зеленые листья растений содержат хлорофиллы, которые представляют собой магнийсодержащие порфириновые комплексы, участвующие в фотосинтезе.
Магний также тесно вовлечен в биохимические процессы в организмах животных. Ионы магния необходимы для инициирования ферментов, отвечающих за превращения фосфатов, для переноса нервного импульса и для метаболизма углеводов. Они также участвуют в сокращении мышц, которое инициируется ионами кальция.
Несколько лет назад ученые Миннесотского университета в США установили, что яичная скорлупа тем прочнее, чем больше она содержит магния.
В организме взрослого человека массой 65 кг содержится около 20 г магния (в основном, в виде ионов). Большая его часть сосредоточена в костях. Во внутриклеточной жидкости присутствуют комплексы магния с АТФ и AДФ.
Суточная потребность в этом элементе составляет 0,35 г. При однообразном питании, нехватке зеленых овощей и фруктов, а также при алкоголизме нередко возникает дефицит магния. Особенно богаты магнием абрикосы, персики и цветная капуста. Есть он и в обычной капусте, картофеле, помидорах.
Статистика утверждает, что у жителей районов с более теплым климатом спазмы кровеносных сосудов случаются реже, чем у северян. Считают, что причиной этого являются особенности питания в холодных краях. Они едят меньше фруктов и овощей, а, значит, получают меньшее количество магния.
Исследования французских биологов показали, что в крови уставших людей содержится меньше магния, чем у отдохнувших. Считают, что диета, богатая магнием должна помочь медикам в борьбе с таким серьезным недугом, как переутомление.
Елена Савинкина
Магний и его соединения достаточно давно известны людям. Впервые соли магния были получены еще в 1695 году английским врачом. Врач проводил анализ воды из ближайшего источника. При выпаривании жидкости получилась соль с горьковатым привкусом. Аптекари и врачи считали, что полученная в результате реакции соль можно применять в лечебных целях. Соль стали называть белой магнезией.
Однако, относительно чистый магний был получен намного позже. Химик Дэви получил металл (как и другие активные металлы) в результате процесса электролиза. Однако, магний, полученный Г. Дэви в результате реакции, еще нельзя было назвать чистым. Чистый магний был получен Бюсси несколько позже - в 1828 году.
Характеристика магния
Физические свойства
Магний имеет белый цвет, а также обладает характерным блеском. Магний достаточно мягок, имеет хорошую пластичность и ковкость. Элемент имеет относительно небольшую температуру плавления - около 650° С. На открытом воздухе магний тускнеет. Это происходит потому, что на поверхности куска металла образуется оксидная пленка. Магний хорошо горит ярким белым пламенем.
Химические свойства
Магний является активным элементом. Как правило, этим и объясняются химические свойства элемента.
- Магний отлично горит. Однако, в обычных ситуациях металл защищён специальной оксидной пленкой, которая предохраняет магний от реакции с кислородом. При нагревании оксидная пленка исчезает и происходит реакция магния с кислородом. В результате горения в кислороде образуется оксид магния. Интересным фактом является то, что свет, выделяемый элементом при горении, очень похож на солнечный. Эта особенность была замечена еще первыми фотографами. Именно поэтому магниевый порошок с некоторыми примесями использовался как вспышка для освещения фотографируемого объекта.
- Также при нагревании магний вступает в реакцию с водородом, а также с серой.
- С галогенами магний реагирует при комнатной температуре.
- Магний не вступает в реакцию со щелочами.
Магний - достаточно распространенный на Земле элемент. Его можно встретить достаточно часто.
- Во-первых, магний входит в состав коры Земли. Концентрация магния в Земной коре находится на уровне 1,9%.
- Во-вторых, большое количество производных магния входит в состав кристаллических горных пород. Как правило, магний здесь встречается в виде карбонатов, сульфатов и силикатов.
- Также достаточно большое количество магния содержится в морских и океанических водах. В одном кубическом метре соленой океанической воды содержится примерно 4 кг магния. По своему содержанию в морской воде магний уступает лишь натрию. Стоит сказать, что магний есть не только в соленой морской воде, но и в пресной.
- Магний всегда входит в состав растений.
Области применения магния
Магний и его соединения широко применяются в промышленности.
- Чаще всего магний и его сплавы используются в качестве легкого конструкционного металла. Дело в том, что сплавы этого металла мало весят (масса сплавов магния примерно в четыре раза меньше массы стали), при этом достаточно прочны и долговечны. Такие сплавы можно использовать и для автомобильных деталей, и для шасси самолетов, и для лестниц, грузовых платформ и других конструкций.
- Также магний используется в металлургии. Некоторое количество магния добавляют, например, в алюминий. Это повышает устойчивость сплава к коррозии.
- Смесь магния с различными окислителями широко применяется в пиротехнике, для приготовления различных зажигательных и осветительных составов.
Магний — элемент главной подгруппы второй группы, третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 12. Обозначается символом Mg (лат. Magnesium). Простое вещество магний (CAS-номер: 7439-95-4) — лёгкий, ковкий металл серебристо-белого цвета.
1 элемент таблицы Менделеева В 1695 году из минеральной воды Эпсомского источника в Англии выделили соль, обладавшую горьким вкусом и слабительным действием. Аптекари называли её горькой солью, а также английской, или эпсомской солью. Минерал эпсомит имеет состав MgSO4 · 7H2O. Латинское название элемента происходит от названия древнего города Магнезия в Малой Азии, в окрестностях которого имеются залежи минерала магнезита.
В 1792 году Антон фон Рупрехт получил новый металл, названный им австрием, восстановлением углём из белой магнезии. Позже было установлено, что «австрий» представляет собой магний крайне низкой степени чистоты, поскольку исходное вещество было сильно загрязнёно железом.
История открытия
В 1695 году из минеральной воды Эпсомского источника в Англии выделили соль, обладавшую горьким вкусом и слабительным действием. Аптекари называли её горькой солью, а также английской, или эпсомской солью. Минерал эпсомит имеет состав MgSO4 · 7H2O. Латинское название элемента происходит от названия древнего города Магнезия в Малой Азии, в окрестностях которого имеются залежи минерала магнезита.
В 1792 году Антон фон Рупрехт получил новый металл, названный им австрием, восстановлением углём из белой магнезии. Позже было установлено, что «австрий» представляет собой магний крайне низкой степени чистоты, поскольку исходное вещество было сильно загрязнено железом.
Впервые был выделен в чистом виде сэром Гемфри Дэви в 1808 году дистилляцией ртути из магниевой амальгамы, которую он получил электролизом полужидкой смеси оксида магния и ртути.
Нахождение в природе
Кларк магния (масс.) — 1,95 % (19,5 кг/т). Это один из самых распространённых элементов земной коры. Большие количества магния находятся в морской воде. Главными видами нахождения магнезиального сырья являются:
морская вода — (Mg 0,12—0,13 %),
карналлит — MgCl2 . KCl . 6H2O (Mg 8,7 %),
бишофит — MgCl2 . 6H2O (Mg 11,9 %),
кизерит — MgSO4 . H2O (Mg 17,6 %),
эпсомит — MgSO4 . 7H2O (Mg 16,3 %),
каинит — KCl . MgSO4 . 3H2O (Mg 9,8 %),
магнезит — MgCO3 (Mg 28,7 %),
доломит — CaCO3·MgCO3 (Mg 13,1 %),
брусит — Mg(OH)2 (Mg 41,6 %).
Магнезиальные соли встречаются в больших количествах в солевых отложениях самосадочных озёр. Месторождения ископаемых солей карналлита осадочного происхождения известны во многих странах.
Магнезит образуется преимущественно в гидротермальных условиях и относится к среднетемпературным гидротермальным месторождениям. Доломит также является важным магниевым сырьём. Месторождения доломита широко распространены, запасы их огромны. Они ассоциируют с карбонатными толщами, и большинство из них имеет докембрийский или пермский возраст. Доломитовые залежи образуются осадочным путём, но могут возникать также при воздействии на известняки гидротермальных растворов, подземных или поверхностных вод.
ТАБЛИЦА НОРМЫ ПОТРЕБЛЕНИЯ МАГНИЯ
| Пол | Возраст | Суточная норма потребления магния, мг/день | Верхний допустимы предел, мг/день |
|---|---|---|---|
| Младенцы | от 0 до 6 месяцев | 30 | Не определен |
| Младенцы | от 7 до 12 месяцев | 75 | Не определен |
| Дети | от 1 до 3 лет | 80 | 145 |
| Дети | от 4 до 8 лет | 130 | 240 |
| Дети | от 9 до 13 лет | 240 | 590 |
| Девушки | от 14 до 18 лет | 360 | 710 |
| Юноши | от 14 до 18 лет | 410 | 760 |
| Мужчины | от 19 до 30 лет | 400 | 750 |
| Мужчины | 31 год и старше | 420 | 770 |
| Женщины | от 19 до 30 лет | 310 | 660 |
| Женщины | 31 год и старше | 320 | 670 |
| Беременные женщины | от 14 до 18 лет | 400 | 750 |
| Беременные женщины | от 19 до 30 лет | 350 | 700 |
| Беременные женщины | 31 год и старше | 360 | 710 |
| Кормящие грудью женщины | от 14 до 18 лет | 360 | 710 |
| Кормящие грудью женщины | от 19 до 30 лет | 310 | 660 |
| Кормящие грудью женщины | 31 год и старше | 320 | 670 |
Ковкий, серебристо белый металл
Магний / Magnesium (Mg), 12
(молярная масса)
[комм 1] а. е. м. (г/моль)
1,31 (шкала Полинга)
(первый электрон)
737,3 (7,64) кДж/моль (эВ)
1,738 г/см³
650 °C (923 K)
1090 °C (1363 K)
9,20 кДж/моль
131,8 кДж/моль
24,90 Дж/(K·моль)
14,0 см³/моль
гексагональная
a =0,32029 нм, c =0,52000 нм
Поиск
Подписка
