Магний и его сплавы

Оглавление 

Введение…………………………………………………………………………2

Физические  и химические свойства……………………………………………3

Соединения  магния………………………………………………………………4

История магния…………………………………………………………………..6

Не конструкционное применение магния……………………………………...7

Конструкционное применение магния………………………………………….9

Биологическая роль магния…………………………………………………….11

 Магний как лекарственное средство………………………………………….12

 Использованная литература……………………………………………..…….13 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

        Магний –  один  из  самых  распространенных  в  земной  коре  элементов,  он

занимает VI место после кислорода, кремния, алюминия, железа  и  кальция.  В

литосфере (по А.П.Виноградову) содержание магния составляет 2,1%. В  природе

магний  встречается только в виде  соединений.  Он  входит  в  состав  многих

минералов: карбонатов, силикатов и др. К  числу важнейших из таких  минералов

относятся, в частности, углекислые карбонатные  породы,  образующие  огромные

массивы на суше и даже целые  горные  хребты  –  магнезит  MgCO3  и  доломит

MgCO3(CaCO3. Под  слоями  различных  наносных  пород  совместно  с  залежами

каменной  соли  известны  колоссальные  залежи  и  другого  легкорастворимого

магнийсодержащего  минерала  –  карналлита  MgCl2(KCl(6H2O  (в   Соликамске,

например, пласты карналлита достигают мощности до 100  м).  Кроме  того,  во

многих  минералах магний  тесно  связан  с  кремнеземом,  образуя,  например,

оливин [(Mg, Fe)2SiO4] и  реже  встречающийся  форстерит  (Mg2SiO4).  Другие

магнийсодержащие  минералы –  это  бруцит  Mg(OH)2,  кизерит MgSO4,  эпсонит

MgSO4(7H2O,  каинит  MgSO4(KCl(3H2O.  На  поверхности   Земли  магний   легко

образует  водные силикаты (тальк,  асбест  и  др.),  примером  которых  может

служить серпентин 3MgO(2SiO2(2H2O. Из известных науке 1500  минералов  около

200 (более  13%) содержат магний. Однако природные  соединения  магния  широко

встречаются и в  растворенном  виде.  Кроме  различных  минералов  и  горных

пород, 0,13% магния в виде MgCl2 постоянно содержатся в  водах  океана  (его

запасы  здесь  неисчерпаемы  –  около  6(1016  т)  и  в  соленых  озерах   и

источниках.  В  растительных  и  животных  организмах  магний  содержится  в

количествах порядка сотых долей процента, а в состав  хлорофилла  входит  до

2% Mg. Общее  содержание этого элемента в  живом  веществе  Земли  оценивается

величиной порядка 1011 тонн. При недостатке магния  приостанавливается  рост

и развитие растений. Накапливается он преимущественно  в  семенах.  Введение

магниевых  соединений  в  почву  заметно  повышает   урожайность   некоторых

культурных  растений (например, свеклы).

      Металлический магний был впервые  получен в 1828 г. А. Бюсси.  Основной

способ  получения магния – электролиз расплавленного  карналлита  или  MgCl2.

Металлический магний имеет  важное  значение  для  народного  хозяйства.  Он

используется  при  изготовлении  сверхлегких  сплавов  для   авиационной   и

ракетной  техники,  как  легирующий  компонент  в  алюминиевых  сплавах,  как

восстановитель  при магниетермическом получении  металлов (титана, циркония  и

т.п.), в  производстве  высокопрочного  “магниевого”  чугуна  со  включенным

графитом. Другие соединения магния –  окись,  карбонат,  сульфат  и  т.п.  –

совершенно  необходимы при изготовлении огнеупорных  материалов,  цементов  и

прочих  строительных материалов.

      Магний кристаллизуется в гексагональную  плотноупакованную решетку,  на

каждой  ячейке которой – по 6 атомов, из них  3  –  в  вершинах  и  в  центре

базисных  граней, а  3  –  в  центрах  трех  тригональных  призм.  Занятые  и

свободные призмы чередуются.

                      Физические и химические  свойства

      Магний – серебристо-белый   блестящий  металл,  сравнительно  мягкий  и

пластичный,  хороший  проводник  тепла  и  электричества.  На   воздухе   он

покрывается  тонкой  оксидной   пленкой,   придающей   ему   матовый   цвет.

Кристаллическая решетка магния относится к гексагональной системе.

      В природе магний встречается  в виде  трех  стабильных  изотопов:  24Mg

(78,60%), 25Mg (10,11%) и 26Mg (11,29%). Искусственно были  получены  изотопы

с массами 23, 27 и 28.

      В периодической  системе   элементов  магний  располагается   в  главной

подгруппе II  группы;  его  порядковый  номер  –  12,  атомный  вес  24,312.

Электронная конфигурация  невозбужденного  атома  –  1s22s2p63s2;  валентные

электроны наружного слоя определяют  валентность  +2  и  объясняет  типичный

характер  восстановительных реакций,  в  которые  вступает  магний.  Строение

внешних   электронных   оболочек   атома   Mg   (3s2)   соответствует    его

нульвалентному  состоянию.  Возбуждение  до  обычного  двухвалентного  (3s3p)

требует затраты 62 ккал/г-атом

      На внешнем электронном уровне  атома  содержатся  только  2  электрона,

которые   легко   отдаются   для   образования   стабильной    8-электронной

конфигурации,  в  результате  чего  образуются  двухвалентные   положительно

заряженные  ионы магния. Поэтому химически магний очень активен,  на  воздухе

окисляется, но образующаяся при этом на поверхности  окисная  пленка  отчасти

препятствует  дальнейшему окислению.

      Магний наряду с  бериллием,   кальцием,  стронцием,  барием  и  радием

относится  к  группе  щелочноземельных  металлов.  Все   они   имеют   бело-

серебристый цвет (исключение составляет барий  – он  светло-серый),  все  они

мягкие  и  легкие   (кроме   радия   –   он   тяжелый    и   радиоактивный).

Щелочноземельные  металлы плохо проводят электрический  ток;  почти  все  они

неустойчивы  на  воздухе,  активны,  легко   растворяются   в   разбавленных

кислотах,  при  нагревании  энергично  реагируют  с  кислородом,  водородом,

азотом, углеродом, галогенами, серой, фосфором и  др.;  они  используются  в

качестве   восстановителей   в   промышленном   многих   веществ.   Но   как

конструкционный материал из всей группы широко применяется  только магний.

  Пары магния  содержат  молекулы  Mg2,  энергия диссоциации   которых оценивается в 7 ккал/моль. Сжимаемость Mg мала, под давлением в 100 тыс. ат его объем уменьшается

до 0,85 исходного.

                              Соединения магния

      Поляризующая  способность  иона   Mg2+   невысока,   а   по   величине

коэффициента    поляризации,     который     количественно     характеризует

деформируемость иона, магний уступает большинству  металлов.

      Поэтому  комплексные  соединения  магния  малоустойчивы  и   образуются

обычно  только в щелочной среде.

      Ниже представлены теплоты образования  некоторых  соединений  магния  и

бериллия, рассчитанные в ккал на грамм-эквивалент металла: 

|                   |F    |Cl   |Br   |I    |O    |S    |N    |

|Mg                 |134  |77   |62   |43   |72   |42   |19   |

|Be                 |134  |77   |62   |43   |72   |42   |19   |

|Отношение  Mg/Be    |0,90 |0,73 |0,65 |0,47 |1,00 |0,47 |1,21 | 

      Из приведенных  данных  видно,  что  теплоты  образования   аналогичных

производных  бериллия  и  магния  близки  при  сравнительно  малых   объемах

металлоидных  атомов (F, O, N) и сильно расходятся при  больших  (Cl,  Br,  I,

S).  Так   как  сам  атом  магния  значительно  больше  атома   бериллия,  это

свидетельствует о значительной роли  объемных  соотношений  при  образовании

рассматриваемых соединений.

      Ядерные расстояния в кристаллах MgO (т. пл. 2850оС) равны 1,64 (, а   у

их  индивидуальных  молекул  (в  парах)  –   1,75   (.   Пары   MgO   сильно

диссоциированы  на элементы. MgO растворима в воде тем труднее,  чем  сильнее

она была предварительно прокалена. Такое  снижение  реакционной  способности

обусловлено в данном случае укрупнением кристаллов. При хранении на  воздухе

оксид магния постепенно поглощает влагу  и  CO2,  переходя  в Mg(OH)2  и в

MgCO3. Окись   магния  изредка  встречается   в  природе  (минерал  периклаз).

Получаемая  прокаливанием  природного  магнезита   MgO   является   исходным

продуктом для изготовления различных  огнеупорных  изделий  и  искусственных

строительных  материалов  (“ксилолит”  и  др.)  Кашица  из   замешанной   на

очищенном бензине окиси магния может быть использована для снятия  с  бумаги

жировых и масляных пятен: ею смазывают  пятно  и  дают  бензину  испариться,

после чего удаляют сорбировавшую жир окись магния.

      В основе ксилолита лежит магнезиальный  цемент, получаемый  смешиванием

предварительно  прокаленной  при  800оС  окиси  магния  с   30%-ным   водным

раствором MgCl2 (на 4 вес. ч. MgO  берется  1  вес.  ч.  безводного  MgCl2).

Вследствие  образования более или менее  длинных цепей типа –Mg–O–Mg–O–Mg–  (с

гидроксилами  или атомами хлора на концах) смесь  через несколько  часов  дает

белую, очень прочную и легко полирующуюся массу. При изготовлении  ксилолита

к исходной смеси примешивают опилки и т.п.  Кроме  ксилолита,  используемого

главным образом для покрытия полов, на основе магнезиального  цемента  часто

готовят жернова, точильные камни и т.д.

      Белый  амфотерный  гидроксид   магния  очень  малорастворим   в   воде.

Растворенная часть Mg(OH)2  диссоциирована  по  типу  основания  и  является

электролитом  слабой  силы.  Осаждение  Mg(OH)2  в  процессе   нейтрализации

кислого раствора наступает  при  pH=10,5.  Гидроксид  магния  встречается  в

природе (минерал брусит). Помимо кислот,  он  растворим  в  растворах  солей

аммония (что важно для аналитической  химии). Растворение, например, в  NH4Cl

протекает по схеме Mg(OH)2+2NH4Cl ( MgCl2+2NH4OH и обусловлено  образованием

сравнительно  малодиссоциированного гидроксида аммония.

      Для магния  известна  аналогичная   гидроксиду  этоксидная  производная

Mg(OC2H5)2. Она может быть  получена  взаимодействием   амальгамы  магния  со

спиртом  и  представляет  собой  белый  порошок,  растворимый  в  спирте   и

разлагаемый водой.

      Взаимодействием свежеосажденной Mg(OH)2 с 30%-ной H2O2  была  получена

перекись  магния  MgO2.  Это   бесцветное   микрокристаллическое   вещество,

малорастворимое в воде и постепенно разлагающееся  при хранении на воздухе.

      Большинство солей магния хорошо растворимо в воде.  Растворы  содержат

бесцветные  ионы Mg2+,  которые  сообщают  жидкости  горький  вкус.  Соли  Mg

гидролизуются водой только при нагревании раствора.

      Почти  все  галоидные   соли   магния   расплываются   на   воздухе   и

легкорастворимы в воде. Исключением является  MgF2,  растворимость  которого

весьма  мала (0,08 г/л). Большинство солей выделяется  из  растворов  в  виде

кристаллогидратов  (напр.  MgCl2(6H2O).   При   их   нагревании   происходит

отщепление  части галоидоводородной кислоты и  остаются  труднорастворимые  в

воде  основные соли.

      Нитрат магния  легкорастворим  не  только  в  воде,  но  и  в  спирте.

Кристаллизуются  он  обычно  в  виде  Mg(NO3)2(6H2O  (т.  пл.   90оС).   При

нагревании  выше температуры плавления нитрат отщепляет не только воду, но  и

HNO3, а  затем переходит в оксид.

      Для  сульфата  магния  характерен   легкорастворимый   кристаллогидрат

MgSO4(7H2O.   Он   полностью    обезвоживается    при    200оС.    Константа

электролитической диссоциации MgSO4 – 5(103. В природе MgSO4  встречается  в

виде  минералов горькой соли MgSO4(7H2O и  кизерита MgSO4(H2O.  Кизерит  может

служить хорошим материалом для получения MgO и SO2, т.к. при  накаливании  с

углем  разлагается  по  схеме  MgSO4+C+64  ккал=CO+SO2+MgO.   Горькая   соль

применяется в текстильной и бумажной промышленности, а также в медицине.

      С сульфатами некоторых одновалентных  металлов  MgSO4  образет  двойные

соли,  так  называемые   шениты   состава   M2[Mg(SO4)2](6H2O,   где   M   –

одновалентный  катион.  Шенитом  K2[Mg(SO4)2](6H2O   пользуются   иногда   в

качестве  калийного минерального удобрения.

      Почти нерастворимый в  воде  нормальный  карбонат  магния  может  быть

получен только при одновременном присутствии  в  растворе  большого  избытка

CO2. В   противном  случае  осаждаются  также  почти  неростворимые   основные

соли.  Белая  магнезия  –  это  основная   соль   приблизительного   состава

3MgCO3(Mg(OH)2(3H2O.

                               История магния

      Природные  магнийсодержащие  материалы  магнезит  и  доломит   издавна

использовались  в строительстве.

      Во время засухи в Англии  летом  1618  г.  Генри  Уикер   обнаружил  на

пастбище  в  Эпсоме  небольшую  ямку,  заполненную  водой,  которую  животные

отказывались  пить. Позднее  обнаружилось,  что  при  наружном  и  внутреннем

употреблении  эта вода проявляет целебные  свойства.  С  середины  XVII  века

Эпсом приобретает известность как  курорт с источником минеральной  воды.

      Вскоре натуральной соли из  этого  источника  стало  не  хватать,  что

привело к усиленным поискам  ее  искуственного  заменителя.  Каспар  Неуманн

(1683–1757) заявил, что приготовил искусственную  эпсомскую соль  посредством

добавления H2SO4 к водному раствору морской  соли, привозимой  из  Испании  и

Португалии.  Он  отличил  эпсомскую  соль  (MgSO4)  от  “мирабилитовой  соли

Глаубера”  (Na2SO4)  и  указал,  что  “земля   горькой   слабительной   соли

называется magnesia alba (белая магнезия)”, по названию местности  в  горном

районе  Греции, где впервые было обнаружено это соединение.   Магнезию  долго

не могли  отличить  от  извести;  лишь  в  XVIII  в.  немецкий  врач-терапевт

Фридрих Гоффман (1660–1742) установил, что эти  соединения различны.

      Первые попытки выделить металлическую  основу магнезии  в чистом  виде

были  предприняты в начале XIX в. знаменитым  английским  физиком  и  химиком

Гемфри  Дэви (1778–1829), после того, как он подверг  электролизу  едкий  кали

и  едкий  натр  и  получил  металлический  Na  и  K.  Он  решил   попытаться

аналогичным  образом   осуществить   разложение   оксидов   щелочноземельных

металлов  и магнезии. В своих первоначальных опытах Дэви пропускал ток  через

влажные оксиды, предохраняя их от соприкосновения  с  воздухом  слоем  нефти;

однако  при этом металлы сплавлялись  с катодом и их не удавалось  отделить.

      Дэви пробовал применять множество  различных методов,  но  все   они  по

разным  причинам оказывались малоуспешными. Наконец, его постигла удача –  он

смешал  влажную магнезию с оксидом ртути,  поместил  массу  на  пластинку  из

платины и пропустил через нее ток; амальгаму перенес  в  стеклянную  трубку,

нагрел, чтобы удалить ртуть, и получил  новый металл. Тем  же  способом  Дэви

удалось получить барий, калий и стронций.

      Выделив металлическую основу, Дэви назвал новый  металл  magnium,  так

как считал, что слово  magnesium  легко  спутать  с  manganese,  то  есть  с

марганцем. Тем не менее название magnesium вошло  в  употребление  во  многих

языках,  так  что  новый  металл  лишь  короткое  время  был  известен   под

названием, которое дал ему Дэви.  Правда,  русское  название  этого  металла

звучит  очень сходно с первоначальным.

      В компактной форме и в ощутимых  количествах магний был впервые  получен

в 1828 г. Антуаном Александром Брутом  Бусси  (1794–1882)  путем  нагревания

смеси безводного MgCl2 c калием в стеклянной трубке.  В  результате  реакции

калий соединился с хлором, вытесняя магний с образованием KCl и Mg.  С  этих

опытов  начался  первый  этап  металлургии  магния,  который  был  полностью

основан на химических  методах.  По  технологии,  сходной  с  методом  Брута

Бусси, во Франции, Англии и Соединенных  Штатах  работали  небольшие  заводы,

производившие  металлический  магний.  Такое  производство  существовало до

конца прошлого века, пока не был создан электролитический  способ  получения

магния.  Конкурировать  с  ним  химический   способ   не   смог,   поскольку

использовал дорогостоящие восстановители –  металлический  натрий  и  калий,

кроме того,  при  химическом  способе  не  удавалось  создать  периодический

технологический процесс.                       

Не конструкционное применение магния

      Благодаря большому химическому  сродству к  кислороду  магний  способен

отнимать  его у многих  оксидов,  также  как  и  хлор  у  хлоридов.  На  этом

свойстве  магния  основана  магниетермия,  открытая  Бекетовым  как   способ

получения  других  металлов  вытеснением  их  магнием  из  соединений.   Она

приобрела большое значение для современной  металлургии. В  качестве  примера

можно указать, что  магниетермия  стала  основным  способом  в  производстве

таких металлов, как бериллий и титан. С  помощью магниетермии  были  получены

такие  трудновосстанавливаемые  металлы,  как  ванадий,  хром,  цирконий   и

другие.  Магний  используется  для  рафинирования  вторичного  алюминия   от

примеси магния  путем  переплавки  металла  с  жидкими  хлоридными  флюсами,

содержащими криолит. В этом случае магний из металлической  фазы переходит  в

солевую в форме фтористого магния.

      Большая  химическая  активность  магния  по  отношению   к   кислороду

позволяет применять его в  качестве  раскислителя  в  производстве  стали  и

цветного  литья,  а  также  (в  порошкообразном  виде)   для   обезвоживания

органических  веществ (спирта, анилина и др.).

      Важное значение в современной   химической  технологии  получил   синтез

сложных веществ с помощью магнийорганических  соединений.  Таким  путем  был

синтезирован, в частности, витамин А.

      Высокий электроотрицательный электродный потенциал дал  возможность  с

большим эффектом применять  магний  в  качестве  материала  для  анодов  при

катодной  защите от коррозии стальных и железных сооружений,  находящихся  во