Магний

http://monax.ru/order/ - рефераты на заказ (более 2300 авторов в 450 городах СНГ).

Mg

МАГНИЙ

План:

1. Характеристика элемента.

2. Получение магния.

3. Свойства магния.

3.1. Физические свойства магния.

3.2. Химические свойства магния.

4. Соединения магния.

4.1. Неорганические соединения

4.2. Магнийорганические соединения

5. Природные соединения магния

6. Определение магния в почвах, в воде

7. Биологическое значение магния

8. Области применения магния

9. Жесткость воды

10. Практическая работа «Определение жесткости воды»

1. Характеристика элемента

Название «магнезия» встречается уже в III веке н.э., хотя не вполне ясно, какое вещество оно обозначает. Долгое время магнезит — карбонат магния — ошибочно отождествляли с известняком — карбонатом кальция. Слово магнезия происходит от названия одного из Греческих городов — Магнесии. До XVIII века соединения магния считали разновидностями кальциевых или натриевых солей. Открытию магния способствовало изучение состава минеральных вод. В 1695 году английский врач Крю сообщил, что им выделена из воды эпсомского минерального источника соль, обладающая лечебными свойствами, и вскоре был доказан её индивидуальный характер. Затем стали известны и другие соединения магния. Карбонат магния получил название «белая магнезия», в отличие от «чёрной магнезии» — оксида марганца. Отсюда и созвучие названий металлов, выделенных впоследствии из этих соединений.

Впервые магний был получен Деви (XIX в.) из окиси магния. Бюсси, Либих, Девильс, Карон и др получали магний действием паров калия или натрия на хлористый магний.

В 1808 г. английский химик Г. Деви электролизом увлажнённой смеси магнезии и оксида ртути получил амальгаму неизвестного металла, которому и дал название «магнезии», сохранившееся до сих пор во многих странах. В России с 1831 года принято название «магний». В 1829 г. Французский химик А. Бюсси получил магний, восстанавливая его расплавленный хлорид калием. Следующий шаг к промышленному получению сделал М. Фарадей. В 1830 г. он впервые получил магний электролизом расплавленного хлористого магния.

Промышленное производство магния электролитическим способом предпринято в Германии в конце XIX в. Перед второй мировой войной началось освоение термических способов получения магния.

В настоящее время наряду с развитием электролитического способа совершенствуются силикотермический и карботермический способы получения магния. На первой стадии развития магниевой промышленности в качестве сырья применяли хлористые соли карналлит, природные рассолы, хлоромагниевые щёлочи калийной промышленности.

Сейчас наряду с хлористыми солями широко используют доломит и магнезит. Большой интерес представляет применение в качестве сырья для производства магния из морской воды. В России электролитический метод получения магния впервые разработал П. П. Федотьев в 1914 г. в Петроградском политехническом институте. В 1931 г. в Ленинграде вступил в строй первый опытный магниевый завод. Промышленное производство магния в СССР начато в 1935 г.

₊₁₂Mg))) 1S² 2S² 2P⁶ 3S² 3P⁰ —электронная формула нормального атома

При затрате необходимой энергии один из электронов переходит в P-состояние, т. е. оба электрона становятся неспаренными. Поэтому магний проявляет степень окисления +2.

3S²-валентные электроны

1S² 2S² 2P⁶ 3S¹ 3P¹

— электронная формула возбуждённого атома

₊₁₂Mg +P¹², n⁰12

e12

Строение внешней электронной оболочки магния, обладающей структурой 3S², с двумя слабо связанными электронами объясняет восстановительный характер типичных реакций, в которых магний переходит в двухвалентный катион Mg²⁺. Благодаря большому химическому сродству к кислороду, магний способен отнимать кислород у многих окислов и хлор у хлоридов. Это свойство в последнее время используется при магниетермическом получении титана, циркония, урана. При комнатной температуре на воздухе компактный магний химически стоек. На его поверхности образуется окисная пленка, предох-раняющая от окисления. При нагревании химическая активность магния воз-растает. Считается, что верхний температурный предел устойчивости магния в кислороде находится в интервале 350−400 ^оС. Кипящую воду магний разлагает с выделением водорода.

На магний не оказывает заметного действия дис-тиллированная вода, фтористоводородная кислота любой концентрации, хромовая кислота, водные растворы фтористых солей и др.

Разрушающее действие оказывает на магний морская и минеральная вода, водные растворы соля-ной, серной, азотной, фосфорной, кремнефтористоводородной кислот, вод-ные растворы галоидных солей, сернистых соединений, аммиак и его вод-ные растворы, органические кислоты, гликоли и гликолевые смеси, многи альдегиды.

Магний — один из самых распространенных в земной коре элементов, по распространенности занимает шестое место после кислорода, кремния, алюминия, железа и кальция. Содержание магния в литосфере, по А.П. Ви-ноградову, сотавляет 2,10%. В природе магний встречается исключительно в виде соединений и входит в состав многих минералов: карбонатов, си-ликатов и др. Важнейшими являются следующие из них: магнезит MgCO₃, доломит MgCO₃*CaCO₃, карналлит MgCl₂*KCL*6H₂O, бруцит Mg (OH)₂, кизерит MgSO₄, эпсонит MgSO₄*7H₂O, каинит MgSO₄*KCl*3H₂O, оливин (Mg, Fe)₂ [SiO₄], серпентин H₄Mg₃Si₂O₉.

Природный или естественный маг-ний представляет собой смесь трех устойчивых изотопов ²⁴Mg -78,6%, ²⁵Mg -10,1%, ²⁶Mg -11,3%.

В реакциях магний практически всегда проявляет степень окисления +2 (валентность II). Для того, чтобы перевести атом магния из состояния 3S² в реакционноспособное состояние 3S¹3P¹, нужно затратить 259 КДж/моль, а при последовательном отрыве электронов, т. е. ионизации Mg до Mg⁺ и Mg⁺², требуется соответственно 737 КДж/моль и 1450 КДж/моль. Магний кристаллизуется в гексагональную плотноупакованную решетку.

2. ПОЛУЧЕНИЕ МАГНИЯ.

Преобладающий промышленный способ получения магния — электролиз расплава смеси MgCl₂

MgCl₂ Mg²⁺ 2Cl^-

К -) А +)

Mg²⁺ _+2e Mg⁰ 2Cl^- _-2e Cl₂⁰

ЭЛ-3

2MgCl₂ 2Mg + 2Cl₂

расплава в безводных MgCl₂, KCl, NaCl. Для получения расплава исполь-зуют обезвоженный карналлит или бимофит, а также MgCl₂, полученный хлорированием MgO или как отход при производстве Ti.

Температура электролиза 700−720 ^оС, аноды графитовые, катоды стальные. Со-держание MgCl₂ в расплаве 5−8%, при снижении концентрации до 4% уменьшается выход магния по току, при повышении концентрации MgCl₂ вы-ше 8% увеличивается расход электроэнергии. Для обеспечения оптимально-го содержания MgCl₂ периодически отбирают часть отработанного электро-лита и добавляют свежий карналлит или MgCl₂. Жидкий магний всплывает на поверхность электролита, откуда его отбирают вакуумным ковшом. Изв-лекаемый магниевый сырец содержит 0,1% примесей. Для очистки от неме-таллических примесей магний переплавляют с флюсами — хлоридами или фторидами K, Ba, Na, Mg. Глубокую очистку осуществляют перегонкой в вакуу-ме, зонной плавкой, электролитическим рафинированием. В результате по-лучают магний чистотой 99,999%.

Кроме магния при электролизе получают также Cl₂. В термических спосо-бах получения магния сырьем служит магнезит или доломит, из которых прокаливанием получают MgO. 2Mg+O₂=2MgO. В реторных или вращающих печах с графитовыми или угольными нагревателями оксид восстанавливают до металла кремнием (силиконотермический способ) или CaC₂ (карбидотермический способ) при 1280−1300 ^оС, либо углеродом (карботермический способ) при темпратуре выше 2100 ^оС. В карботермическом способе (MgO+C Mg+CO) образующуяся смесь CO и паров магния быстро охлаждают при выходе из печи инертным газом для предотвращения обратной реакции с магнием.

3. СВОЙСТВА МАГНИЯ.

3.1. Физические свойства магния.

Магний — серебристо-белый блестящий металл, сравнительно мягкий и пластичный, хороший проводник тепла и электричества. Почти в 5 раз легче меди, в 4,5 раза легче железа; даже алюминий в 1,5 раза тяжелее магния. Плавится магний при темпратуре 651 ^оС, но в обычных усло-виях расплавить его довольно трудно: нагретый на воздухе до 550 ^оС он вспыхивает и мгновенно сгорает ослепительно ярким пламенем. По-лоску магниевой фольги легко поджечь обыкновенной спичкой, а в атмос-фере хлора магний самовозгорается даже при комнатной температуре. При горении магния выделяется большое количество ультрафиолетовых лучей и тепла — чтобы нагреть стакан ледяной воды до кипения, нужно сжечь все-го 4 г магния.

Магний расположен в главной подгрупп второй группы периодической сис-темы элементов Д. И. Менделеева. Порядковый номер его — 12, атомный вес — 24,312. Электронная конфигурация атома магния в невозбужденном сос-тоянии 1S²2S²P⁶3S²; валентными являются электроны наружного слоя, в соответствии с этим магний проявляет валентность II. В тесной связи со строением электронных оболочек атома магния находится его реакционная способность. Из-за наличия на внешней оболочке только двух электронов атом магния склонен легко отдавать их для получения устойчивой восьми-электронной конфигурации; поэтому магний в химическом отношении очень активен.

На воздухе магний окисляется, но образующаяся при этом окисная пленка предохраняет металл от дальнейшего окисления. Нормальный электронный потенциал магния в кислой среде равен -2,37 В, в щелочной — 2,69 В. В разбавленных кислотах магний растворяется уже на холоде. Во фтористо-водородной кислоте нерастворим вследствие образования пленки из труд-норастворимого в воде фторида MgF₂; в концентрированной серной кислоте почти нерастворим. Магний легко растворяется при действии растворов солей аммония. Растворы щелочей на него не действуют. Магний поступает в лаборатории в виде порошка или лент. Если поджечь магниевю ленту, то она быстро сгорает с ослепительной вспышкой, развивая высокую темпера-туру. Магниевые вспышки применяют в фотографии, в изготовлении освети-тельных ракет. Температура кипения магния 1107 ^оС, плотность = 1,74 г/см³, радиус атома 1,60 НМ.

3.2. Химические свойства магния.

Химические свойства магния довольно своеобразны. Он легко отнимает кислород и хлор у большинства элементов, не боится едких щелочей, со-ды, керосина, бензина и минеральных масел. С холодной водой магний почти не взаимодействует, но при нагревании разлагает ее с выделением водорода. В этом отношении он занимает промежуточное положение между бериллием, который вообще с водой не реагирует и кальцием, легко с ней взаимодействующим. Особенно интенсивно идет реакция с водяным паром, нагретым выше 380 ^оС:

_-2e

Mg⁰(тв)+H₂⁺O (газ) Mg⁺²O (тв)+H₂⁰ (газ).

Поскольку продуктом этой реакции является водород ясно, что тушение горящего магния водой недопустимо: может произойти образование гремучей смеси водорода с кислородом и взрыв. Нельзя потушить горящий магний и углекислым газом: магний восстанавливает его до свободного углерода _-4е

2Mg⁰ + C⁺⁴O₂ 2Mg⁺²O+C⁰,

Прекратить к горящему магнию доступ кислорода можно засыпав его пес-ком, хотя и с оксидом кремния (IV) магний взаимодействует, но со зна-чительно меньшим выделением теплоты:

_-4е

2Mg⁰ + Si⁺⁴O₂=2Mg⁺²O+Si⁰

этим и определяется возможность использования песка для тушения крем-ния. Опасность возгорания магния при интенсивном нагреве одна из при-чин, по которым его использование как технического материала ограниче-на.

В электрохимическом ряду напряжений магний стоит значительно левее во-дорода и активно реагирует с разбавленными кислотами с образованием солей. В этих реакциях есть у магния особенности. Он не растворяется во фтороводородной, концентрированной серной и в смеси серной и в смеси азотной кислот, растворяющей другие металлы почти столь же эффективно, как «царская водка» (смесь HCl и HNO₃). Устойчивость магния к растворе-нию во фтороводородной кислоте объясняется просто: поверхность магния покрывается нерастворимой во фтороводородной кислоте пленкой фторида магния MgF₂. Устойчивость магния к достаточно концентрированной серной кислоте и смеси ее с азотной кислотой объяснить сложнее, хотя и в этом случае причина кроется в пассивации поверхности магния. С растворами щелочей и гидроксида аммония магний практически не взаимодействует. А вот с растворами аммонийных солей реакция хотя и медленно, но происхо-дит:

2NH⁺₄+Mg=Mg²⁺ + 2NH₃ + H₂

Удивительного в этой реакции нет. Эта реакция та же по существу, что и реакция вытеснения металлами водорода из кислот. В одном из определе-ний кислотой называют вещество, диссоциирующее с образованием ионов водорода. Именно так может диссоциировать и ион NH4:

NH₄⁺ NH₃+H⁺

Реакция же

_-2e

Mg⁰ + 2HCl=Mg⁺²Cl₂+H⁰₂

2H⁺+Mg Mg²⁺ + H⁰₂

При нагревании магния в атмосфере галогенов происходит воспламенение и образование галоидных солей.

_-2e

Mg + Cl₂⁰ Mg⁺²+Cl₂^-

Причина воспламенения — очень большое тепловыделение, как и в случае реакции магния с кислородом. Так при образовании 1 моль хлорида магния из магния и хлора выделяется 642 КДж. При нагревании магний соединяется с серой (MgS), и с азотом (Mg₃N₂). При повышенном давлении и нагревании с водородом магний обра-зует гидрид магния

_-2e

Mg⁰ + H₂⁰ Mg⁺²H₂^-.

Большое сродство магния к хлору позволило создать новое металлургичес-кое производство — «магниетермию» — получение металлов в результате реакции

MeCln+0,5nMg=Me+0,5nMgCl₂

этим методом получают металлы, играющие очень важную роль в современ-ной технике — цирконий, хром, торий, бериллий. Легкий и прочный «ме-талл космической эры» — титан практически весь получают таким способом.

Сущность производства сводится к следующему: при получении металли-ческого магния электролизом расплава хлорида магния в качестве побоч-ного продукта образуется хлор. Этот хлор используют для получения хло-рида титана (IV) TiCl₄, который магнием восстанавливается до металли-ческого титана

_-4e

Ti⁺⁴Cl₄ + 2Mg⁰ Ti⁰+2Mg⁺²Cl₂

Образовавшийся хлорид магния вновь используется для производства маг-ния и т. д. На основе этих реакций работают титаномагниевые комбинаты. Попутно с титаном и магнием получают при этом и другие продукты, та-кие, как бертолетову соль KClO₃, хлор, бром и изделия — фибролитовые и ксилитовые плиты, о которых будет сказано ниже. В таком комплексном производстве степень использования сырья, рентабельность производства высока, а масса отходов не велика, что особенно важно для охраны окру-жающей среды от загрязнений.

4. Соединения магния.

Для аналитической химии магния имеют значение его труднорастворимые и особенно внутрикомплексные (бесцветные, окрашенные или флуорисцирую-щие) соединения. Поляризующая способность иона Mg²⁺ невысокая, а по величине кэффициента поляризации, характеризующего количественно де-формируемость иона, магний уступает большинству металлов. Поэтому комплексные соединения магния сравнительно малоустойчивы и образуются, как правило, только в щелочной среде. Тем не менее, они имеют чрезвы-чайно важное значение для аналитической химии магния. Меньшая устойчи-вость некоторых комплексных соединений магния, по сравнению с комплек-сами других металлов, иногда используется для маскирования последних при определении магния титриметрическими, фотометрическими и другими методами.

4.1. Неорганические соединения магния.

Важнейшие соединения магния: оксид, гидроксид и соли магния.

Оксид магния — MgO хорошо знаком тем, кто занимается гимнастикой. На-несенный на ладони порошок оксида магния (магнезии) предохраняет спортсмена от опасности сорваться с гимнастического снаряда (например перекладины).

Оксид магния — легкий, рыхлый порошок белого цвета, легко связывающий воду. На этом и основано его применение гимнастами.

_-4е

2Mg⁰ + C⁺⁴O₂ 2Mg⁺²O^- + C⁰

_{-4е t}

2Mg⁰ + O₂⁰ 2Mg⁺²O^-2

MgO образуется при прокаливании гидроокиси и многих других соединений магния. Окись магния плавится при 2800^оС, растворимость ее в во-де составляет 0,62 г/100 г при 20^оС. Аморфная окись магния, полученная прокаливанием соединений магния при низких температу-рах, гигроскопична, легко поглощает из воздуха влагу и углекислый газ с образованием основных карбонатов; хорошо растворяется в кислотах и в солях аммония. При прокаливании до 1000^оС и выше образуется кристаллическая окись магния (кубическая сингония), которая теряет способность поглощать влагу и растворяться в кислотах. По литературным данным, прокаленная при 1000^оС окись магния не меняет своего веса, если даже оставить на один час на воздухе. Все же желательно ох-лаждать окись магния при весовых определениях в эксикаторе и взвеши-вать по возможности быстро.

Оксид магния встречается в природе в виде минерала периклаза. Получае-мый прокаливанием природного магнезита оксид магния является исходным продуктом и для получения самого магния, и для получения искусственных строительных материалов («ксилолит»). В основе ксилолита лежит магне-зиальный цемент, получаемый смешиванием прокаленного оксида магния с 30% раствором хлорида магния. Образование полимерной структуры из ато-мов магния, связанных в цепьO-Mg-O-Mg-O-, приводит к тому, что смесь через несколько часов образует белую, очень прочную и легко полирующу-юся массу. При изготовлении ксилолита к смеси примешивают древесные опилки и другие наполнители. Ксилолитовые плиты используют для покры-тия полов.

Карбонат магния (MgCO₃) — бесцветное кристаллическое вещество, труднораствори-мое в воде — растворимость его 0,0094 г/100г при 18^оС. Карбонат из водных растворов выделяется лишь в присутствии большого избытка ок-сида углерода (IV) CO₂; обычно образуются основные карбонаты. Из них основной карбонат 3MgCO₃*Mg (OH)₂*3H₂O — соединение, труднорастворимое в воде (0,04 г/100г), но растворимое в солях аммония. При 900−1000^оС разлагается с образованием окиси магния. При пропускании уг-лекислого газа через водную взвесь карбоната магния происходит его растворение, благодаря образованию кислой соли (гидрокарбоната).

MgCO₃+CO₂+H₂O Mg (HCO₃)₂

Двойной карбонат магния и кальция MgCO₃*CaCO₃ — доломит — самое расп-ространенное природное соединение магния, образует огромные залежи, в которых минерал часто бывает окрашен примесями в более или менее тем-ные цвета. Карбонаты магния — магнезит и доломит широко применяют для изготовления огнеупорных материалов путем обжига их до оксидов. Такие материалы идут, например, на обкладку внутренней поверхности конверте-ров для производства стали. Полуобожженный доломит — смесь MgO и CaCO₃ используют для изготовления строительных плит и в качестве добавки в почву и воду для уменьшения их кислотности.

Искусственно приготовленный основной карбонат магния является исходным материалом для приготовления других соединений магния, он растворяется в кислотах гораздо быстрее, чем магнезит. Кроме того, его применяют как составную часть пудры, зубных порошков, а так же как наполнитель в производстве красок, бумаги и резины.

Сульфат магния MgSo₄

Из кислот магний выделяет водород:

Mg + H₂SO₄ = MgSO₄+H₂

MgSO₄, в отличии от труднорастворимых сульфатов щелочноземельных металлов легко растворим в воде; растворимость 36,6 г MgSO₄/100 г при 18^оС. Образует кристаллогидраты с 1,2,3,5,6,7 и 12 молекулами воды, из которых важнейшими являются моногидрат (кизерит) и гептагидрат (горькая соль). Кизерит MgSO₄ * H₂O обезвоживается при 320−300^оС. Безводный MgSO₄ при температуре 1100−1200^оС частично разлагается на MgO, SO₂ и O₂. Кизерит встречается в природе в виде приме-сей в месторождениях калийных солей и карналлита. Интересно, что нес-мотря на значительную растворимость сульфата магния, кизерит очень мед-ленно переходит в раствор. Поэтому при выщелачивании калийных солей остается в осадке в виде похожей на песок массы, которую перерабатыва-ют в горькую соль. Горькая соль MgSO₄*7H₂O в природе содержится в оса-дочных породах, остающихся после высыхания озер, а также кристаллизу-ется из вод минеральных источников. На воздухе постепенно выветривает-ся. Применяется для пропитки марли с целью снижения ее горючести, как наполнитель в производстве бумаги и в медицине — как слабительное. Сульфат магния гидролизуется очень слабо: 0,2N раствор его при 25^оС показывает степень гидролиза 0,0047%.

Перхлорат магния

Mg (ClO₄)₂ — «ангидрон», дает гидраты с 2,4,6 молекулами воды. Раство-римость в воде 99,6 г/100г при 25^оС. Безводный перхлорат магния очень сильно поглощает влагу; выше 250^оС он разлагается. Ис-пользуется как осушитель органических веществ и газов.

Гидроокись магния

2MgO+2H₂O=2Mg (OH)₂ выделяется при действии щелочей на растворы солей магния в виде объемистого студенистого осадка. Гидроо-кись магния — слабое основание, легко растворяется в кислотах, из воз-духа поглощает углекислый газ. Растворимость ее в воде зависит от степени старения, для свежеосажденной гидроокиси магния составляет 7,0*10 -4 моль/л.

Хлорид магния

_-2е

Mg⁰ + Cl₂⁰ Mg⁺²Cl₂^-

образует гидраты с 1,2,4,6 молекулами воды. Растворимость его в воде 54,5 г/100г при 20^оС (в расчете на безводную соль). Хлорид магния с хлоридами щелочных металлов образует двойные соли, важнейшие из них — карналлит

MgCl₂*KCl₂*6H₂O.

Для нитрата магния Mg (NO₃)₂ известны гидраты с 2,6 и 9 молекулами во-ды. Растворимость Mg (NO₃)₂*6H₂O в воде при 25^оС составляет 75г/100г, для Mg (NO₃)₂*9H₂O) при 25^оС — 50,6г/100г. Получение:

Mg + 2HNO₃ Mg (NO₃)₂+H₂

Фторид магния MgF₂ — труднорастворимое в воде соединение. Плавится при 1265^оС, с фторидами щелочных металлов образует двойные соли ти-па

M¹F*MgF₂ и 2M¹F*MgF₂.

4.2. Магнийорганические соединения.

Соединения магния с органическими кислотами.

Ацетат магния Mg (CH₃COO)₂ — хорошо растворимое в воде соединение.

Оксалат магния MgC₂O₄ — труднорастворимое соединение. В растворах окса-латов щелочных металлов или аммония оксалат магния образует комплексный ион [Mg (C₂O₄)₂]^-2.

Из органических кислот большое значение имеют аминополикарбоновые кис-лоты — комплексоны, особенно комплексон III. Прочность комплексоната магния значительно ниже, чем комплексонатов почти всех остальных ме-таллов.

Окрашенные соединения магния с органическими реагентами.

Для аналитической химии магния большое значение имеют окрашенные соеди-нения его с органическими реагентами, используемые в качестве комплек-сонометрических индикаторов, для фотометрического определения и для обнаружения магния. Ион магния не обладает хромофорным действием, поэ-тому цветные реакции дают только соединения его с окрашенными органи-ческими реагентами. Из них наиболее важны азосоединения, меньшее зна-чение имеют трифенилметановые красители и соединения других классов.

соединения магния с азокрасителями.

При взаимодействии магния с некоторыми азокрасителями образуются интен-сивно окрашенные внутрикомплексные соединения. Саввин и Петрова изучи-ли цветные реакции магния с азосоединениями на основе хромотропной кислоты. Некоторые из них с магнием дают интенсивно окрашенные комп-лексы, пригодные для фотометрического определения магния. Диль и Эл-лингбоэ изучили образование магнием окрашенных соединений с 26 моноа-зосоединениями с целью использования их в качестве индикаторов для комплексонометрического определения магния.

К магнийорганическим относят химические соединения, в которых атом углерода непосредственно связан с атомом магния. Они представляют отдельный очень важный класс соеди-нений магния. С их помощью химики синтезировали огромное количество органических соединений: лекарственных препаратов, витаминов, душистых веществ и т. д. История металлоорганических соединений началась в 1849 г, когда молодой английский химик Франкланд получил вещество, в кото-ром атом углерода был непосредственно связан с цинком. Своей способ-ностью вступать во все возможные реакции они сразу же привлекли внима-ние химиков. Однако их чрезвычайная активность, например, они мгновен-но самовоспламенялись на воздухе, сильно затрудняла работу с этими ве-ществами. В 1899 г французский ученый Ф. Барбье предложил заменить цинк на магний, обнаружив, что в присутствии диэтилового, «серного» эфира магний легко вступает в те же реакции, что и цинк.

Магнийорганические соединения оказались значительно эффективнее цин-ко-органических, менее опасными в обращении и получили широкое расп-ространение. Особая заслуга в их исследовании и внедрении в лаборатор-ную практику принадлежит выдающемуся французскому химику В.Гриньяру. В 1900 г он усовершенствовал метод синтеза, предложив разделить реакцию на две стадии: 1 — образование смешанного магнийорганического соединения в эфирной среде:

CH₃Cl+Mg CH₃MgCl

R1X+Mg RMgX, где R — углеводородный радикал, а Х — галоген; 2 — взаимодействие RMgX с соединением, содержащим карбонильную группу, приводит к образованию новой углерод-углеродной связи. Реакции такого типа получили название по имени автора открытия — «реакции Гриньяра». За эти работы В. Гриньяр был удостоен в 1912 г Нобелевской премии. Магнийорганические галогениды нашли широкое применение в органическом синтезе. С их помощью можно получать соединения различных классовспирты, альдегиды, кетоны, эфиры, органические кислоты и т. д. Сам В. Гриньяр писал 1926 г так: «Подобно хорошо настроенной скрипке, магни-йорганические соединения под опытными пальцами могут дать звучание все новым неожиданным и более гармоничным аккордам» . Использование магнийор-ганических соединений позволило получить органические производные мно-гих элементов и привело к развитию целого направления — химии элемен-тоорганических соединений, успешно развиваемое в нашей стране школой академика А. Н. Несмеянова.

К сожалению, создание крупномасштабного производства на основе магни-йорганических соединений встречает значительные трудности из-за исклю-чительной пожароопасности эфира. В настоящее время разрабатываются ме-тодики применения магнийорганических соединений с использованием не столь горючих растворителей. Вероятно, недалеко то время, когда магни-йорганические соединения будут применяться и в химической технологии.

5. Природные соединения магния.

Минералы, в состав которых входит магний, использовались человеком, на-чиная с каменного века. Зеленый, смешанный магниево-кальциевый минерал состава 2CaO*5ЭO*H₂O*8SiO₂ (Э-обозначает переменное кол-во магния и же-леза) обладает большой «вязкостью», он не растрескивается, не расслаи-вается при ударе. Из этого минерала первобытные люди изготовляли пер-вые, примитивные инструменты. Образцы таких найденных в раскопках инс-трументов можно увидеть во многих музеях. За этим минералом сохрани-лось название, данное ему врачевателями древности — «нефрит». Счита-лось, что размолотый порошок нефрита помогает при заболеваниях почек. Другой магниевый минерал — асбест используется издревле для изготовле-ния фитилей. В отличие от фитилей из хлопка, войлок и других материа-лов органической природы гореть в асбесте нечему: состав его выражает-ся формулой

3MgO*2H₂O*2SiO₂.

Широко известен и другой магниевый минерал — тальк, который содержит на каждую частицу магния вдвое больше оксида кремния (IV)

3MgO*H₂O*4SiO₂.

Этот минерал называют также «мыльным камнем», стеати-том или, по-русски, «жировиком». Тальком присыпают поверхность готовых резиновых изделий во избежании их слипания при хранении.

Мир минералов богат и разнообразен. их известно более двух тысяч. Око-ло 10% из этого огромного количества минералов — магниевые. Магний по распространенности в природе занимает восьмое место. В большей части этих минералов, как и в нефрите, асбесте и тальке, оксид магния связан с кремнеземом SiO₂ — самым распространенным химическим соединением на Земле. Вместе с магнием в состав магниевых минералов подчас входят и другие элементы — металлы. Один из таких минералов — оливин Э₂SiO₄, где Э означает суммарное число атомов магния и железа. Среди минералов магния есть и такие, которые по красоте могут конкурировать с извест-ными драгоценными камнями. Это водный силикат магния, окрашенный приме-сями в густой винно-желтый цвет, обнаруженный на Памире — клиногулит; он похож на драгоценный циркониевый минерал — глаулит.

Огромное количество магния содержится в водах океанов, морей и соленых озер. В среднем в одном м3 воды содержится более одного килограмма магния. В некоторых странах, не имеющих магниевого сырья (Англия, Норве-гия, Италия), налажено производство магния из морской воды. Морское происхождение имеют и ископаемые месторождения магниевого минерала «карналлита». В отдаленном геологическом прошлом Земли неоднократно образовывались и высыхали моря и озера. При их испарении образовались гигантские залежи природных солей магния — карналлит — MgCl₂*KCl*6H₂O.

6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАГНИЯ В ПОЧВАХ, В ВОДЕ.

Общее содержание магния в почвах колеблется в пределах от 0,1 до 1%, содержание обменного магния составляет сотые и десятые доли процента.

Методы выделения магния из почвы. Для извлечения обменного магния из почвы, предложены различные экстрагенты: 1 М нейтральный раствор CH₃COONH₄, 2 М раствор CH₃COONH₄ и т. д.

Метоты определения. Обменный магний в почвах можно определить комплексонометрическим методом. Однако из-за незначительного содержания магния в почвах для его определения лучше применять ортометрические методы: с титановым жёлтым, 8-оксихинолином и бриллиантовым жёлтым.

15 мл экстракта почвы, полученного обработкой 1 М раствора CH₃COONH₄, помещают в мерную колбу ёмкостью 25 мл. Если объём аликвотной части меньше 15 мл, то его доводят до 15 мл 1 М раствором CH₃COONH_4, добавляют последовательно, перемешивая раствор после прибавления каждого реагента: 5 мл смеси, содержащей равные части однопроцентного раствора поливинилового спирта, 0,5% раствора NaHSO₃ и компенсационного раствора, 1 мл 0,04% раствора титанового жёлтого, 4мл 10N раствора NaOH и измеряют оптическую плотность на фотоколориметре при 540 НМ.

Обменный магний в почвах можно определять атомно-абсорбционным методом. 10 г почвы встряхивают 30 минут с 50 мл 1 М раствора CH₃COONH₄ с pH 5,9. Смесь фильтруют, промывают тем же раствором. Фильтрат с промывными водами разбавляют 1 М раствором CH₃COONH₄ в мерной колбе до 100 мл, распыляют в пламя и фотометрируют. Стандартные растворы для получения данных для составления калибровочного графика должны содержать 0−100 мкг Mg/мл. Их готовят разбавлением смеси, содержащей 500 мкг Mg/мл, 2 мг Ca/мл, 50 мкг Na/мл и 125 мкг K/мл в 1 М растворе CH₃COONH_4.

Определение в воде, кисотах и электролитах.

Для определения магния в воде можно использовать фотометрический метод с пикроминазо.

5−10 мл воды переносят в мерную колбу ёмкостью 50 мл, добавляют 2 мл 0,005% раствора микроминазо, 5 мл 0,5% раствора желатина, 15 мл 20% раствора NaOH и доводят объём водой до метки. Через 10−15 минут измеряют оптическую плотность. Малые количества магния в летучих кислотах предложено определять комплексонометрическим методом после удаления кислоты выпариванием досуха.

7. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ МАГНИЯ.

Живая материя содержит сотые доли процента магния, но эти доли процента исключительно важны. Магний входит в состав хлорофилла — зелёного пигмента растений, первичного приёмника солнечной энергии. С поглощения света хлорофиллом начинается один из важенйших природных процессов — фотосинтез. Его продуктами является и основная растительная масса, и кислород. Без магния нет хлорофилла, а без хлорофилла была бы невозможна жизнь на нашей планете. Функция молекул хлорофилла состоит в положении фотонов красной области видимого спектра (около 700 нМ) и передаче энергии возбуждения другим частицам, участвующим в цепи реакций, приводящих, в конечном счёте, к соединению воды и углекислого газа и их превращения в глюкозу с одновременным выделением молекулярного кислорода

6CO₂ + 6H₂O = C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Опыты, проведённые венгерскими учёными на животных, показали, что недостаток магния в организме повышает предрасположенность к инфаркту. Французские биологи считают, что магний поможет медикам бороться с таким серьёзным недугом XXв, как переутомление. Исследования показывают, что в крови уставших людей уменьшается содержание магния, он как бы, «сгорает», что приводит к нарушениям работы сердечных мышц. При недостатке в почве солей магния рост и развитие растений приостанавливаются. При использовании органических удобрений обеспечивается круговорот магния. В случае же применения только минеральных удобрений необходимо периодическое введение в почву и магниевых соединений. Особенно нуждаются в магниевой подкормке растениясахароносы: сахарная свекла и сахарный тростник.

Вам сына, или дочь?

Недавно биологи Франции установили любопытное влияние ряда элементов на… получение потомства. Оказывается, избыток калия в пище матери приводит к тому, что у неё рождаются преимущественно дети мужского пола. Если же её пища насыщена кальцием и магнием, то в потомстве преобладает женский пол. Возможно уже вскоре для будущих матерей врачи разработают специальные меню, гарантирующие рождение мальчика или девочки по заказу. Но прежде нужно будет ещё уточнить, распространяется ли подмеченное влияние этих элементов на человека: ведь описанные наблюдения относятся к коровам.

Берегите магний!

Французские биологи считают, что магний поможет медикам в борьбе с переутомлением. 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 нарушение работы сердечных мышц наблюдаются значительно чаще.

8. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МАГНИЯ.

Магний применяют в виде металлических пластин при защите от коррозии морских судов и трубопроводов. Защитное действие магниевого «протектора» связано с тем, что из стальной конструкции и магниевого протектора (магний стоит в электрохимическом ряду напряжений левее, чем железо) создаётся электрическая цепь. Происходит разрушение магниевого протектора; основная же стальная часть конструкции при этом сохраняется. В металлургии магний используют как «раскислитель» — вещество, связывающее вредные примеси в расплаве железа. Добавка 0,5% магния в чугун сильно повышает ковкость чугуна и его сопротивление на разрыв. Используют магний и при изготовлении некоторых гальванических элементов.

Сплавы магния играют в технике очень важную роль. Существует целое семейство магниевых сплавов с общим названием «электрон». Основу их составляет магний в сочетании с алюминием (10%), цинком (до 5%), марганцем (1−2%). Малые добавки других металлов придают «электрону» различные ценные свойства. Но главным свойством всех видов «электронов» является их лёгкость (1,8 г/см³) и прекрасные механические свойства. Их используют в тех отраслях техники, где особенно высоко ценится лёгкость: в самолётои ракетостроении. В последние годы созданы новые устойчивые на воздухе магниево-литиевые сплавы с совсем малой плотностью (1,35 г/см³). Их использование в технике очень перспективно. Магниевые сплавы цены не только из-за своей лёгкости. Их теплоёмкость в 2−2,5 раза выше, чем у стали. Аппаратура из магниевых сплавов нагревается меньше стальной. Используют и сплав алюминия с большим содержанием магния (5−30%). Этот сплав «магналит» твёрже и прочнее алюминия, легче обрабатывается и полируется. Число металлов, с которыми магний образует сплавы, велико. Из диаграммы, иллюстрирующей правило Юм-Розери, ясна удивительная особенность магния не смешиваться в расплаве со своим близким по положению в таблице Менделеева соседом — бериллием. Из-за сильного различия межатомных расстояний не образует магний сплавов и с железом.

Среди кислородных соединений Mg нужно отметить оксид магния MgO, называемый также жжёной магнезией. Он применяется в изготовлении огнеупорных кирпичей, т.к. температура его плавления 2800^оС. Жжёная магнезия используется и в медицинской практике.

Интересны силикаты магния — тальк 3MgO*4SiO₂*H₂O и асбест CaO*MgO*4SiO₂, обладающие высокой огнестойкостью. Асбест имеет волокнистое строение, поэтому его можно прясть и изготавливать из него спецодежду для работы при высоких температурах. Карбонаты и силикаты магния в воде нерастворимы.

Интерес к магнию и сплавам на его основе обусловлен, с одной стороны, сочетанием важных для практического использования свойств, а с другой стороны, большими сырьевыми ресурсами магния. Велика сфера использования магния и магниевых сплавов со специальными химическими свойствами, например в источниках тока и для протекторов при защите стальных сооружений от коррозии.

В СНГ, как и за рубежом, имеются большие запасы минерального сырья магния, удобные для его извлечения. Это месторождения твёрдых солей, содержащих магний, а также рассолы ряда соляных озёр. Кроме того, магний может извлекаться из морской воды. Таким образом для магния не стоит проблема истощения сырьевых ресурсов, которая приобретает всё большее значение для многих других, промышленно важных металлов. Хотя магний является одним из основных промышленных металлов, но объём его производства продолжает заметно уступать объёму производства алюминия и стали.

Определённую ориентировку в потребностях промышленности в магнии даёт рассмотрение его производства и потребления в развитых капиталистических и развивающихся странах. После второй мировой войны и вплоть до начала 70-х годов XX столетия в них наблюдался непрерывный рост производства и потребления магния, затем произошла его стабилизация. Крупнейшим производителем магния в капиталистических странах являются США, доля которых в общем производстве несколько больше 50%.

Конструкционные магниевые сплавы — это лишь одна, причём не самая большая по объёму область применения магния. Магний широко используется как химический реагент во многих металлургических процессах. В частности, он применяется в чёрной металлургии для обработки чугуна с целью десульфурации. В общем в последние годы имеется тенденция к расширению применения магния в качестве химического реагента. Значительное количество магния используется для получения титана, и надо искать пути повышения эффективности применения его в этих целях. Проявляется также значительный интерес к магнию и сплавам на его основе как аккумуляторам водорода.

Имеется определённая предубеждённость против магниевых сплавов со стороны потребителей в отношении их пожароопасности, низкой коррозионной стойкости, повышенной чувствительности к концентраторам напряжений. Эту предубеждённость следует преодолевать. В то же время следует продолжить работы, направленные на улучшение служебных характеристик магниевых сплавов, в частности на повышение их коррозийной стойкости.

Основные тенденции в развитии потребления магния в мире.

В последние годы за рубежом положение магния как одного из масштабных промышленных металлов упрочнилось: в 1980 году впервые в мирное время был превзойдён максимальный уровень производства магния военного 1943 года. Несмотря на отдельные спады, обусловленные общей неблагоприятной коньюктурой, потребление магния оставалось стабильным, хотя цены на него и выросли в 1,9 раза.

Самым крупным производителем и потребителем первичного магния за рубежом остаются США, но их доля в мировом потреблении за 1975;85гг сократилось с 51,7% до 41,5%. Норвегия и США — крупнейшие экспортёры магния: по 36−45 тыс. тонн в год. США являются также крупнейшим производителем магния из вторичного сырья.

Второе место по объёма потребления магния занимает Западная Европа (30%). Потребление магния в Японии оценивается на уровне 20−25 тыс. тонн в год, из которых 69% расходуется в производстве алюминиевых сплавов и высокопрочного чугуна, на отливки из магниевых сплавов — 4,9%.

Магний за рубежом используется во многих отраслях промышленности. Всё разнообразие направлений использования можно условно разделить на 3 группы:

Применение магния в производстве алюминиевых сплавов, в которых добавляют от 0,5% до 10% магния. Алюминиевые сплавы, содержащие магний, отличаются высокой удельной прочностью, коррозийной стойкостью и хорошо обрабатываются резанием.

Приготовление сплавов конструкционного назначения на основе магния. Содержание магния в таких сплавах 90−98%. Деформируемые магниевые сплавы и литые заготовки из них находят применение в ряде отраслей промышленности, прежде всего в аэрокосмической промышленности, далее идут военная и автомобильная.

Использование магния в качестве химического реагента в чёрной и цветной металлургии для восстановления Be, Ti, U, Zr, Hf и др. металлов, в химии (в основном в реакции Гриньяра), также в качестве расходуемых анодов для катодной защиты от коррозии стальных конструкций, подземных трубопроводов и резервуаров. Магний в этих процессах полностью расходуется. Лом и отходы не образуются, в отличии от первых двух групп, где он может повторно использоваться в виде вторичных сплавов.

В условиях дефицита магния также актуальной является задача более рационального использования имеющихся ресурсов металла, сокращение потерь его на всех этапах переработки и использования. Например, более эффективно может быть использован вторичный магниевый сплав типа МА9С6 для легирования алюминиевых сплавов взамен первичного металла. Предпочтительнее выглядит и прямое использование отходов из магниевых сплавов в виде брикетов стружки взамен чушкового металла, например, для десульфурации или модифицирования чугуна, производстве модификаторов типа железо-кремний-магний.

Использование магния в аппаратах космической и авиационной техники, автомобилестроении, различных агрегатах и ответственных приборах предъявляя особые требования к технологии производства литья из магниевых сплавов. Потребность народного хозяйства в магнии и магниевых сплавах значительно превышает возможность их производства. Это ставит перед металлургами, технологами и разработчиками новые проблемы повышения качества литья, использования лома и стружки, создание безотходных и малоотходных технологий производства. Обостряются вопросы экологии.

9. ЖЕСТКОСТЬ ВОДЫ

Природная вода, проходя через известковые горные породы и почвы, обогащается солями кальция и магния и становится жёсткой. В жёсткой воде при стирке белья увеличивается расход мыла, а ткань, впитывая соли, становится жёлтой и быстро ветшает. Нерастворимые соли кальция и магния осаждаются на внутренних стенках паровых котлов и трубопроводов. В жёсткой воде хуже и дольше варятся овощи.

Различают временную и постоянную жёсткость воды. При наличии временной жёсткости воды нагрев её приводит к выпадению осадков карбонатов CaCO₃ и MgCO₃. Временная жёсткость вызвана присутствием в воде гидрокарбонатов Mg (HCO₃)₂. Такая жёсткость устраняется кипячением воды :

Mg (HCO₃)₂ = MgCO₃ + H₂O + CO₂

Постоянная жёсткость обусловлена другими солями кальция и магния, она не устраняется кипячением воды. Осадки малорастворимых и практически нерастворимых солей (CaSo₄, CaSiO₃, MgSiO₃)могут выпадать вследствие следующих причин:

Повышение концентрации солей при выпаривании воды;

Понижение растворимости солей при нагревании (если соль обладает отрицательным температурным коэффициентом).

Для умягчения воды из неё необходимо удалить все соли кальция и магния, как Mg (HCO₃)₂, так и MgSO₄, MgCl₂ и др. Это достигается обработкой природной воды различными осадителями:

1. Действие известковой воды

Mg (HCO₃)₂ + Ca (OH)₂ CaMg (CO₃)₂ + 2H₂O,

Ca (HCO₃)₂ + Ca (OH)₂ 2CaCO₃ + 2H₂O ;

2. Действие соды

MgSO₄ + Na₂CO₃ MgCO₃ + Na₂SO₄ ,

3CaCl₂ + 2Na₃PO₄ Ca₃(PO₄)₂ + 6NaCl.

Отметим, что один из указанных выше осадков, а именно карбонат магния — кальция CaMg (CO₃)₂, отвечает по составу природному веществу — минералу доломиту, также широко распространённому, как и кальцит. Он является важнейшим природным источником магния наравне с карналлитом KMgCl₃*6H₂O.

В химической лаборатории и в промышленности используется полностью обессоленная вода (для питья непригодна). Для этого природную воду подвергают перегонке (дистилляции). Такая дистиллированная вода является мягкой, подобно дождевой воде.

С практической точки зрения (например при эксплуатации паросиловых установок) существенна именно форма образующихся осадков. Накипи отлагаются на поверхностях нагрева, снижая экономичность установки и могут привести к перегреву стенки (поверхности нагрева). Шламы — рыхлые осадки — выпадают в объёме воды и не опасны, поскольку могут быть удалены. Поэтому все методы борьбы с жёсткостью воды направлены либо на очистку воды от ионов солей жёсткости, либо на искусственное осаждение солей жёсткости в форме шламов.

10. Практическая работа «Определение жёсткости воды»

10.1. Методы отбора проб.

1. Объём пробы воды для определения общей жёсткости должен быть не менее 250 мл.

2. Если определение жёсткости не может быть проведено в день отбора пробы, то отмеренный объём воды, разбавленной дистиллированной водой 1:1, допускается оставлять для определения до следующего дня. Пробы воды, предназначенные для определения жёсткости не консервируют.

Аппаратура, материалы и реактивы.

Посуда мерная лабораторная стеклянная по ГОСТ 20 292–74 вместимостью: пипетки — 10,25,50,100 мл без делений

Бюретка 25 мл.

Колбы конические по ГОСТ 25 336–82 вместимостью 250 мл.

Капельницы по ГОСТ 25 336–82.

Трилон Б Аммоний хлористый Аммиак водный 20% раствор Гидроксиламин солянокислый Кислота соляная Натрий сернистый Натрий хлористый Спирт этиловый ректификованный Цинк металлический гранулированный Магний сернокислый — фиксанал Хромогенчёрный специальный ЕТ-100 (индикатор) Хромтёмно-синий кислотный (индикатор)