Магний и его свойства

1. История открытия магния

2. Характеристика по положению в периодической системе Д. И. Менделеева. Физические свойства

3. Распространение в природе. Получение магния

4. Химические свойства магния и его соединений

5. Применение магния и его соединений Заключение Литература

Современная техника предъявляет большой спрос на такие металлы, которые облегчили бы вес машин, станков, самолётов, автомобилей, железнодорожных вагонов, не снижая их прочности. Техническая мысль неустанно работает над тем, чтобы шире использовать металлы, обладающие небольшим удельным весом. Магний является одним из важнейших лёгких металлов, который, наряду с алюминием, всё более широко используется современной техникой, в особенности военной.

До конца прошлого столетия промышленное получение магния находилось в зачаточном состоянии. Он использовался главным образом для пиротехнических целей в виде порошка или узкой ленты. Большое влияние на развитие магниевой промышленности оказало изобретение сплавов на магниевой основе.

Магний — металл серебристо-белого цвета. Он относится ко второй группе периодической системы элементов Менделеева и по своему внешнему виду и некоторым характерным свойствам несколько напоминает алюминий. Атомный вес магния 24,3, температура плавления 651° С. Температура кипения 1120° С. Магний отличается большой активностью по отношению к кислороду, которая сильно возрастает с увеличением степени измельчения металла и с повышением температуры.

Главнейшее преимущество магния — малый удельный вес (1,74). Он в четыре с лишним раза легче железа и на одну треть легче алюминия. Магний в чистом виде как материал для конструкций не применяется из-за своей недостаточной прочности. Сплавы магния, сохраняя малый удельный вес (около 1,8, при среднем удельном весе алюминиевых сплавов 2,8, цинка 7,1, меди 8,9), имеют по сравнению с ним новое преимущество — высокие механические качества и по удельной прочности (отношение временного сопротивления на разрыв к удельному весу) приближаются к основному, широко распространённому алюминиевому сплаву — дюралюмину.

Магниевые сплавы могут быть целесообразно применены всюду, где важно облегчение веса конструкций и особенно в транспорте и машиностроении. Разнообразные детали моторов самолётов, аэропланные и орудийные колёса, баки для масла и бензина, детали радиоаппаратуры, обшивка железнодорожных вагонов, вагонов метро, трамваев, автобусов и троллейбусов, детали станков, переносный инструмент, бытовые приборы — вот далеко не полный перечень возможных областей применения магниевых сплавов.

Рассмотрим историю открытия магния, его физические и химические свойства, распространение в природе и области применения.

1. История открытия магния

В конце XVII в. Н. Грю открыл сернокислый магний (горькую соль) в воде эпсомских минеральных источников (Англия). Почти сразу же сульфат магния стал употребляться как лечебное средство и назывался тогда sal anglicum или эпсомской солью. Окись магния известна с начала XVIII в. под названием «горькой земли».

В свободном состоянии магний впервые получен в 1808 г. Гемфри Дэви электролизом увлажненной гидроокиси. Для этого он изготовил из соответствующей смеси небольшой сосуд и ставил его на кусок листовой платины, соединенной с положительным полюсом батареи. В сосуд наливалась ртуть, которая соединялась с помощью погруженной в нее проволоки с отрицательным полюсом батареи. Магний выделялся на катоде и образовывал с ртутью амальгаму. Перегоняя последнюю при нагревании, Дэви получал не особенно чистый металлический магний. В 1829 г. А. Бюсси получил металл в чистом виде.

В царской России магний не производился совершенно, хотя первые удачные опыты по выделению металлического магния из расплавленного карналлита были осуществлены зимой 1914—1915 гг. в Петербургском политехническом институте студентом-дипломником Н. Н. Ворониным под руководством профессора П. П. Федотьева. Об этом первом исследовании получения магния в России, проведенном в условиях, близких к промышленным, П. П. Федотьев писал: «Опыты в нашей лаборатории намечены были в довольно большом масштабе с целью приблизиться по возможности к условиям заводского получения магния».

Название элемента происходит от латинского слова magnesia (Магнезия — местность в Фессалии). Окись магния различными авторами называлась по-разному. Севергин (1801) называет ее «мыловкой», А. М. Шерер (1807) —"талком", «талковой» или «горькой землей», а Захаров (1810)—"горькоземом". Металлический магний впервые описан Ф. Гизе (1813) под названием «магнезии». Н. П. Щеглов (1830) этот металл называл «горькоземий» и лишь в 1831 г. Г. И. Гесс предложил современное название — «магний».

По-настоящему проблема магния была решена только в условиях бывшего Советского Союза. П. П. Федотьев, указывая на полную возможность организации производства магния в Советском Союзе, в «Химико-технологических очерках» писал: «В наших условиях естественно прибегнуть к хлористому магнию, добываемому на крымских озерах. Впоследствии могут быть применены соли Соликамского района. Установление магниевого производства не связано ни в какой мере с импортом сырья или аппаратуры и могло бы быть организовано внутренними средствами».

В марте 1931 г. был пущен опытный завод в Ленинграде, а 14 марта 1936 г. был получен первый металлический магний из карналлитов [2, c. 57 — 59].

2. Характеристика по положению в периодической системе Д. И. Менделеева. Физические свойства

Что же представляет собой этот элемент?

Магний — элемент II группы периодической системы Д. И. Менделеева; третьего периода, главной подгруппы, порядковый номер 12; атомная масса 24,312 у.е. Это легкий (плотность 1,74 г/см) серебристо-белый металл с температурой плавления 651 °C. На воздухе загорается при температуре 550 °C и горит ярким белым пламенем. Если полоску магния внести во влажный хлор, то она воспламенится даже при обычной температуре. Горение магния сопровождается выделением большого количества тепла (605 Кдж/моль) [3, c. 225 — 226].

3. Распространение в природе. Получение магния

Магний принадлежит к числу элементов, наиболее распространённых в земной коре, и занимает восьмое место по распространению. Его запасы во много раз превосходят запасы таких металлов, как медь, никель, цинк. Вследствие своей высокой химической активности магний в земной коре содержится не в свободном состоянии, а в виде соединений. Верхний слой земной коры глубиной до 16 км содержит в среднем около 3,45% соединения магния с кислородом — окиси магния MgO.

Вымываемая при выветривании окись магния скопляется в морской воде, которая содержит в среднем около 0,14% магния в виде соединения с хлором (хлорида магния MgCl).

Важнейшим сырьём, пригодным для получения магния, являются минералы магнезит, доломит, карналлит и бишофит [4, c. 135 — 136].

Самый распространенный из магнийсодержащих минералов — доломит представляет собой породообразующий минерал белого, сероватого или других цветов. По своему химическому составу это почти чистый карбонат кальция и магния СаМg (СO). Кроме производства магния, доломит применяется также в качестве огнеупорного материала и флюса в металлургии и химической промышленности, стекольном производстве и других областях промышленности. Доломиты встречаются в Донбассе, Московской и Санкт — Петербургской областях и во многих других местах.

Карналлит представляет собой бесцветный, бурый или красный (цвет зависит от наличия примесей) минерал, формула которого КС1 * MgCl * 6НО. Он применяется в качестве сырья для получения металлического магния и хлора, а также в качестве удобрения (преимущественно для подзолистых почв). Крупнейшее в мире месторождение карналлита находится в районе города Соликамска (Свердловская область).

Магнезит (впервые обнаружен в районе греческого города Магнезии) является почти чистым карбонатом магния MgCО. Цвет этого минерала разнообразен: снежно-белый, бесцветный, прозрачный магнезит, находят также желтоватые и серовато-бурые образцы. 90% добываемого магнезита используется в качестве огнеупорного материала для производства жженого магнезита (технический MgO), магнезитового и хромомагнезитового кирпича. Месторождения магнезита встречаются на Среднем Урале (Саткинское) и в Оренбургской области (Халиловское).

Из других магнийсодержащих минералов, которые видел каждый, можно назвать «горный лен» — асбест. В его состав, наряду с кремнием, кислородом, железом и другими элементами, входит магний. Потребности промышленности в асбесте велики. Есть опыт производства искусственного асбеста, который не уступает природному, а то и лучше его. При этом интересно то, что в искусственном асбесте магний можно заменять барием, железом, никелем и кобальтом.

В природе имеется много других минералов, содержащих значительное количество магния. Упомянем лишь сульфат магния MgSО*7НО, встречающийся в Соликамских и Стасфуртских калийных месторождениях. Это вещество употребляют в качестве утяжелителя хлопка и шелка, как протраву при крашении тканей, в качестве наполнителя бумаги, для пропитки любых материалов с целью уменьшить их горючесть, наконец, как удобрение [3, c. 226 — 227].

Существуют два промышленных способа получения магния: термический и электролитический. Термический способ заключается в прямом восстановлении окиси магния каким-либо восстановителем, например углем, алюминием, кремнием и т. п. Этот способ очень прост по своей идее и поэтому начинает получать развитие в ряде стран. Но широкого производственного распространения он до недавнего времени не получил из-за сложности аппаратуры (реакции восстановления магния протекают при температуре выше 1000°). В основном для промышленного получения магния в настоящее время применяют электролитический способ, заключающийся в электролизе расплавленных магниевых солей, главным образом хлористых. При этом способе на 1 кг магния тратится 20—25 квт-ч электроэнергии; поэтому для развития производства магния, кроме сырья, надо иметь много дешёвой электроэнергии.

Исходный материал перед электролизом должен быть очень чистым и поэтому подвергается сложной предварительной обработке, главным образом с целью удаления воды.

При хлористом способе электролитом является расплав, состоящий из безводных хлоридов магния, калия и натрия. Процесс электролиза осуществляется в ваннах (электролизерах). Электродами являются железный катод, на котором выделяется металлический магний, и графитовые аноды, на которых разряжается хлор.

Расплавленный магний всплывает на поверхность электролита и время от времени вычерпывается из ванны, сливается в ковш и разливается в чушки. магний периодический химический соединение Хлор по газопроводу отводится за пределы цеха электролиза. Магний, извлекаемый из ванн, обычно содержит ряд примесей, которые делают его непригодным для непосредственного употребления. Поэтому такой магний-сырец требует предварительной очистки от примесей. Из способов очистки магния наибольшее распространение получили рафинирование переплавкой под флюсами и рафинирование возгонкой.

Очищенный металл содержит 99,5—99,85% магния и сотые или тысячные доли процентов железа, кремния, алюминия, хлора, натрия и калия. Рафинированный возгонкой металл является более чистым и содержит 99,96% магния. Очищенный магний разливается по изложницам в чушки и посылается на заводы-потребители [4, c. 136 — 137].

4. Химические свойства магния и его соединений

Взаимодействие с водородом при повышенной температуре приводит к твердому гидриду MgH:

Mg + H = MgH (4.1)

На воздухе в компактном состоянии он устойчив, но мелко раздробленный способен самовозгораться. С холодной водой вследствие низкой растворимости Mg (OH) магний реагирует медленно, но нагревание заметно ускоряет реакцию:

Mg + 2НO = Mg (OH) + Н (4.2)

Низкие растворимости оксида и гидроксида магния связаны с ковалентностью связи в них. Этим объясняется также тугоплавкость MgO, представляющей собой полимер (MgO)x. Являясь основанием средней силы, гидроксид магния образует соли, слабогидролизующиеся в концентрированных растворах. Если повысить концентрацию ионов ОНв растворе, то их гидролиз заметно усиливается.

Магний легко растворяется в кислотах с выделением водорода:

Mg + HCl = MgCl + H (4.3)

Щелочи на него не действуют. Следовательно, амфотерность у соединений магния отсутствует [5, c. 88 — 89].

Нитрид магния, получается при непосредственном взаимодействии азота с металлами при высокой температуре:

3Mg + N = MgN (4.4)

При соприкосновении с водой многие нитриды полностью гидролизуются с образованием аммиака и гидроксида металла. Например:

MgN + 6НO = 3Mg (OH) + 2NH (4.5) [1, c. 400].

При нагревании диоксида кремния с избытком металлического магния восстанавливающийся кремний соединяется с магнием, образуя силицид магния MgSi:

4Mg + SiO = MgSi + 2MgO (4.6) [1, c. 509].

Хотя магний стоит в ряду напряжений далеко впереди водорода, но, как мы уже говорили, воду он разлагает очень медленно вследствие образования малорастворимого гидроксида магния. При нагревании на воздухе магний сгорает, образуя оксид магния MgO:

2Mg + O = 2 MgO (4.7)

и небольшое количество нитрида магния MgN [1, c. 612].

5. Применение магния и его соединений

Первыми «нашли» применение магнию зеленые растения. В самом деле, магний входит в состав хлорофилла, который преобразует солнечную энергию, делая ее доступной для других живых существ. Образуемые с помощью хлорофилла органические вещества (сахар, крахмал) необходимы для питания человека и животных. Это означает, что магний является элементом жизни.

Потребность растений в магнии неодинакова. Все корнеплоды — картофель, столовая и кормовая свекла и другие овощи — являются важными потребителями магния, также как и бобовые растения — клевер, люцерна, люпин. Но вот хлебным злакам — ржи, овсу, пшенице—магния нужно меньше. В хлорофилле содержится от 2 до 3% магния, а общее количество магния в хлорофилле всех растений Земли близко к 100 000 000 000 т.

Поэтому магниевые соли давно уже с успехом используются в качестве удобрений: ведь магний участвует в процессах фотосинтеза. Прибавка урожая картофеля, обусловленная магниевыми удобрениями, составляет 27—28 ц с 1 га, и это в Московской области! В других областях (с другим составом почвы) прибавка урожая может быть даже больше!

Входит магний и в состав человеческого организма. Так, магний найден в крови (переутомление чаще всего вызвано снижением количества магния в крови человека), в зубах и в мозгу. Установлено, что фермент, способствующий переносу фосфора в нашем организме, содержит магний. Молекулы ферментов постепенно разрушаются. Поэтому в организме должны все время создаваться новые молекулы. Отсюда постоянная потребность организма в магнии.

В человеческом организме содержится около 80 г железа, 150 г натрия, 1000 г кальция и около 60 г магния. Медики давно уже обратили внимание на лечебные свойства магниевых препаратов. Так, уже знакомый нам сульфат магния при приеме внутрь оказывает слабительное действие. Для борьбы с судорожными состояниями (например, при столбняке или отравлении) применяют внутримышечные инъекции сульфата магния. Другой магниевый медицинский препарат — карбонат магния MgCО — рекомендуется для приема внутрь при повышенной кислотности желудочного сока, а также при изжоге. Это вещество используют в качестве присыпки, входит оно и в состав зубного порошка.

Потребность в магнии у взрослого человека составляет в сутки приблизительно 10 мг на 1 кг его массы. В быстрорастущем организме ребенка при увеличении массы на 1 кг задерживается 25 мг магния.

Но многие загадки магния в живом организме еще не разгаданы учеными. Для их разрешения ученые проводят опыты. Оказалось, например, что собаки, в пище которых не достает магния, заболевали инфарктом миокарда. Избыток в пище коров кальция и магния приводит к появлению потомства женского пола. Давно уже выяснено, что скорлупа куриных яиц тем прочнее, чем больше в пище несушек магния [3, c. 228 — 229].

Главная область применения металлического магния — это получение на его основе различных легких сплавов. Прибавка к магнию небольших количеств других металлов резко изменяет его механические свойства, сообщая сплаву значительную твердость, прочность и сопротивляемость коррозии. Особенно ценными свойствами обладают сплавы, называемые электронами. Они относятся к трем системам: Mg—Al—Zn, Mg—Мn и Mg—Zn—Zr. Наиболее широкое применение имеют сплавы системы Mg—Al — Zn, содержащие от 3 до 10% А1 и от 0,2 до 3% Zn. Достоинством магниевых сплавов является их малая плотность (около 1,8 г/см). Они используются прежде всего в ракетной технике и в авиастроении, а также в авто-, мото-, приборостроении. Недостаток сплавов магния — их низкая стойкость против коррозии во влажной атмосфере и в воде, особенно морской.

Чистый магний находит применение в металлургии. Магнийтермическим методом получают некоторые металлы, в частности титан. При производстве некоторых сталей и сплавов цветных металлов магний используется для удаления из них кислорода и серы. Весьма широко применяется магний в промышленности органического синтеза. С его помощью получают многочисленные вещества, принадлежащие к различным классам органических соединений, а также элементорганические соединения. Смеси порошка магния с окислителями употребляются при изготовлении осветительных и зажигательных ракет.

Оксид магния MgO обычно получают путем прокаливания природного магнезита MgCО. Он представляет собой белый рыхлый порошок, известный под названием жженой магнезии. Благодаря высокой температуре плавления (около 3000°С) оксид магния применяется для приготовления огнеупорных тиглей, труб, кирпичей.

Гидроксид магния Mg (OH) получается в виде малорастворимого белого осадка при действии щелочей на растворимые соли магния. В отличие от гидроксида бериллия гидроксид магния обладает только основными свойствами, представляя собой основание средней силы.

Сульфат магния MgSО* 7HО, или горькая соль, содержится в морской воде. В отличие от сульфатов щелочноземельных металлов хорошо растворим в воде.

Хлорид магния MgCl * 6HО образует бесцветные, хорошо растворимые, расплывающиеся на воздухе кристаллы. Гигроскопичность неочищенной поваренной соли обусловливается примесью в ней незначительных количеств хлорида магния.

При действии соды на растворимые соли магния получается не средняя соль, а смесь основных карбонатов. Эта смесь применяется в медицине под названием белой магнезии.

Важное промышленное значение имеет гидроксохлорид магния MgOHCl. Технический продукт получается путем замешивания оксида магния с концентрированным водным раствором хлорида магния и носит название магнезиального цемента. Такая смесь через некоторое время затвердевает, превращаясь в плотную белую, легко полирующуюся массу. Затвердевание можно объяснить тем, что гидроксохлорид, первоначально образующийся согласно уравнению:

MgO + MgCl + HO = 2MgOHCl (5.1)

затем полимеризуется в цепи типа —Mg—О—Mg—О—Mg—, на концах которых находятся атомы хлора или гидроксильные группы.

Магнезиальный цемент в качестве вяжущего материала применяется при изготовлении мельничных жерновов, точильных камней, различных плит. Смесь его с древесными опилками под названием ксилолита используют для покрытия полов.

Большое применение находят природные силикаты магния: тальк 3MgO * 4SiО* HО и особенно асбест CaO * 3MgO * 4SiО. Последний, благодаря своей огнестойкости, малой теплопроводности и волокнистой структуре, является прекрасным теплоизоляционным материалом [1, c. 612 — 614].

Заключение

В лабораторных условиях магний хранят в средах, не содержащих в свободном состоянии кислород и хлор, таких, как бензин и минеральные масла. При хранении в обычных условиях магний сравнительно быстро окисляется, покрываясь тончайшей пленкой. Эта пленка оксида, придавая слитку металла красивый матовый оттенок, предохраняет его от дальнейшего окисления.

Химические свойства магния определяются наличием двух электронов на внешней электронной оболочке его атома. Поэтому наиболее характерны для магния реакции восстановления, в которых он окисляется, переходя в ион Mg.

Магний почти не реагирует с чистой холодной водой, но из кипящей воды он энергично вытесняет водород. С увеличением количества примесей в воде резко повышается способность магния образовывать растворимые соединения. Поэтому он довольно быстро «растворяется» как в морской, так и в минеральной воде.

Практически неисчерпаем запас магния, хранимый в воде мирового океана. Действительно, в каждом кубометре морской воды содержится около 4 кг магния, а всего в водах мирового океана растворено более 6 * 1016 т этого металла! Однако и Земля богата магнием — каждый пятидесятый атом земной коры — атом магния. Лишь 6 элементов — кислород, кремний, алюминий, железо, кальций и калий — встречается на Земле чаще магния. Эта значительная распространенность магния позволяет добывать его из камней, которые попадаются нам под ноги. Ведь в килограмме такого камня почти 1/60 его атомов принадлежат магнию, т. е. 21 г. Но в промышленности используются другие, более простые и дешевые способы получения магния.

В настоящее время геологам известны свыше 200 минералов, в состав которых входит магний. Но промышленную ценность представляют лишь немногие их них, прежде всего доломит, карналлит, магнезит и асбест.

1. Глинка Н. Л. Общая химия. — Л.: Химия, 1978. — 720 с.

2. Диогенов Г. Г. История открытия химических элементов. — М.: Государственное учебно — педагогическое издательство Министерства Просвещения РСФСР, 1960. — 232 с.

3. Книга для чтения по неорганической химии. — М.: Просвещение, 1975. — 303 с.

4. Книга для чтения по химии. — М.: Государственное учебно — педагогическое издательство Министерства Просвещения РСФСР, 1956. — 528с.

5. Фадеев Г. Н., Сычев А. П. Мир металлов и сплавов. — М.: Просвещение, 1978. — 191 с.