Магний

СМОЛЕНСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Магний 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                              Выполнила:

                                                              студентка 4 курса

                                                              Михеенкова В.А. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Смоленск, 2010 г.

Введение

      Магний  – один из самых распространенных в земной коре элементов, он занимает VI место после кислорода, кремния, алюминия, железа и кальция. В литосфере 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 MgCO₃žCaCO₃. Под слоями различных наносных пород совместно с залежами каменной соли известны колоссальные залежи и другого легкорастворимого магнийсодержащего минерала – карналлита (в Соликамске, например, пласты карналлита достигают мощности до 100 м). Кроме того, во многих минералах магний тесно связан с кремнеземом, образуя, например, оливин  и реже встречающийся форстерит. На поверхности Земли магний легко образует водные силикаты (тальк, асбест и др.), примером которых может служить серпентин. 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 6ž10¹⁶ 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). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. 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.

2.Характеристичекие 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. 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.

      2.1. Физические и химические свойства

      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.

      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.

      На  магний не оказывают заметного действия дистиллированная вода, фтористоводородная кислота любой концентрации, водные растворы фтористых солей, сера (жидкая и газ), сернокислый алюминий, сероуглерод, растворы едких щелочей, углекислая щелочь, сухие углеводороды, органические галогенпроизводные, не содержащие спирта и H₂O, безводная C₂H₅OH, этиловый и уксусный эфиры, жиры и масла, не содержащие кислот, ароматические соединения и минеральные масла.

      Разрушающе  действуют на магний морская и  минеральная вода, водные растворы, кремнефтористоводородные кислоты, водные растворы галоидных солей, сернистых  соединений, NH₃, его водные растворы, растворы двууглекислой соды, органические кислоты, водные и спиртовые растворы хлорметила и хлорэтила, метиловый спирт, гликоли и гликолевые смеси, многие альдегиды.

      При комнатной температуре на воздухе  компактный магний химически стоек. На его поверхности образуется оксидная пленка, предохраняющая металл от окисления. При нагревании химическая активность магния повышается. Считается, что верхний температурный предел устойчивости магния в кислороде лежит в интервале 350–400 ^oC.

      На  воздухе магний воспламеняется при  температуре 600-650 ^oC.

      Холодная  вода на магний почти не действует, с горячей водой он медленно взаимодействует с выделением водорода.

3. 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.

      MgO – оксид магния. 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.

      Белый амфотерный гидроксид магния очень малорастворим в воде.

      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.

      Нитрат  магния легкорастворим не только в  воде, но и в спирте. При нагревании выше температуры плавления нитрат отщепляет не только воду, но и HNO₃, а затем переходит в оксид.

      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.

      Магниды

      Кристаллические структуры магнидов, по сравнению со многими системами на основании других металлов, значительно различаются между собой. В первом приближении все магниды можно разделить на две большие группы:

• магниды, имеющие структуры, типичные для металлов и сплавов;
• магниды, имеющие структуры, типичные для ионных или гетерополярных соединений.

      Граница между этими группами условна, но, в общем, увеличение атомного номера в периоде сопровождается последовательным переходом от соединений металлического типа к валентным и ионным соединениям.

      Применение  магнидов в технике

      Магниды – фазовые составляющие многих сплавов  на основе Mg, которые благодаря высокой удельной прочности, хорошей обрабатываемости, коррозионной стойкости широко применяются в технике. Магниды входят в состав некоторых промышленных сплавов на основе алюминия. Область применения магниевых сплавов расширяется при введении в их состав небольшого количества магнидов, придающих им определенные физические свойства. Так, сплавы магния с редкоземельными металлами представляют значительный практический интерес, поскольку механические свойства магния и его сплавов при повышении температуры могут быть значительно улучшены путем введения небольших количеств редкоземельных металлов. Практический интерес представляют сплавы Mg–Zr, поскольку сравнительно небольшая добавка циркония существенно уменьшает размер зерна магния и таким образом улучшает механические свойства материала. Такие сплавы применяются, например, в качестве материала для оболочек тепловыделяющих элементов реактора с графитовым замедлителем и теплоносителем CO₂.

      4. История применения магния

      Наиболее  ранней областью применения металлического магния было, по-видимому, использование  его в качестве восстановителя.

      В 1965 г. Н.Н.Бекетов впервые применил магний для вытеснения с его помощью алюминия из расплавленного криолита.

      Несколько позже начали использовать способность  порошка магния и тонкой магниевой ленты гореть ослепительно белым пламенем с выделением большого количества тепла. Это свойство магния получило применение в фотографии для моментальных съемок, а также в пиротехнике и для военных целей (для изготовления осветительных ракет). В обоих случаях магний обычно смешивается с веществами, легко отдающими кислород. Ракетный осветительный  состав, например, может содержать 45% Mg, 48% NaNO₃ и 7% связующего органического вещества.

      Наиболее  важным практическим применением магния было использование его в качестве основы различных легких сплавов. Затем он стал использоваться и в других областях техники, благодаря своим специфическим физико-химическим и механическим свойствам. По мере развития металлургии магния его получали все в более чистом виде, что открывало для этого металла новые области применения.

1) Неконструкционное 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.

      Важное  значение в современной химической технологии получил синтез сложных  веществ с помощью магнийорганических соединений. Таким путем был синтезирован, в частности, витамин А.

      2) Конструкционное применение магния.

      Основное преимущество металлического магния – его легкость (магний – самый легкий из конструкционных металлов). Технически чистый магний обладает невысокой механической прочностью, однако введение в него в небольшом количестве других элементов (алюминия, цинка, марганца) может значительно улучшить его механические свойства почти без увеличения удельного веса. На основе этих свойств магния был создан знаменитый сплав “Электрон”, содержащий, помимо магния, 6% алюминия, 1% цинка и 0,5% марганца. (В настоящее время под техническим названием “электрон” понимаются вообще все сплавы, в которых магний является главной составной частью).

      Кроме того, было создано большое количество разнообразных сплавов, в которых  магний не является главной составной  частью. Важнейшим из таких сплавов является “магналий” – сплав алюминия с 5-30% магния. Магналий тверже и прочнее чистого алюминия, легче последнего обрабатывается и полируется.

      Многие  магниевые детали применяются в  настоящее время в самых разных областях электротехники. Небольшой вес изделий, выполненных из магниевых сплавов, явился также важной причиной применения их для изготовления различных бытовых предметов и аппаратуры. Магниевые детали очень хорошо поглощают вибрацию.

      Магний  и его сплавы обладают очень высокой  хладостойкостью.

      Основной  недостаток магния – пониженная стойкость  против коррозии. Магний сравнительно устойчив в сухом атмосферном  воздухе  в дистиллированной воде, но быстро разрушается в воздухе, насыщенном водными парами и загрязненном примесями, в особенности сернистым газом.

      5. Биологическая роль магния

      В человеческом организме количество магния составляет всего несколько  десятых или сотых долей процента, однако он играет немаловажную роль в  процессах жизнедеятельности. Доказано, что недостаток магния в организме способствует заболеванию инфарктом миокарда. Недостаточное количество магния в крови – признак переутомления или стрессового состояния.

      Основные  продукты, содержащие магний – это  абрикосы, персики, цветная и белокочанная капуста, помидоры, картофель.

      Потребность взрослого организма в магнии составляет 300–500 мг/день. Обычно магний в достаточном количестве поступает с пищей, в случае нехватки его недостаток проще всего восполнить, потребляя минеральную воду. В организме усваивается менее 40% поступающего в него магния, так как его соединения плохо всасываются кишечником. Магний усиливает процессы обмена углеводов в мышцах, укрепляет кости; если в организме нарушено магние-кальциевое равновесие, то почти весь магний включается в состав костных тканей, вытесняя оттуда кальций. Это ведет к заболеванию рахитом.

      В нервной системе также содержатся большие количества магния, особенно в спинном мозге. Большое значения магния для деятельности нервной системы подтверждается тем, что при инъекции магния в кровь человек или животное впадает в состояние, близкое к наркотическому. Это свойство магния используется в медицине.

      Магний  входит в состав хлорофилла и, следовательно, играет незаменимую роль в фотосинтезе  и в газообмене планеты; общее  содержание магния в тканях растений на Земле по некоторым оценкам составляет порядка 10¹¹ тонн.

      Кроме хлорофилла, магний во всех тканях растений участвует также в образовании  жиров, в превращении фосфорных  соединений. Особенно много магния в соке каучуконосных растений. Нехватка магния приводит к уменьшению количества хлорофилла и к побледнению и смене окраски листьев на красную и желтую.

      Магний  как лекарственное  средство

      Английская  соль (MgSO₄×7H₂O) используется как слабительное и желчегонное средство. При инъекциях она вызывает состояние, близкое к наркотическому, и используется для борьбы с судорогами, для лечения гипертонии, психического возбуждения; в сочетании с другими препаратами – для обезболивания при родах.

      Водные  растворы тиосульфата магния используются для лечения ожогов и других заболеваний кожи.

      Белая магнезия (MgCO₃) входит в состав зубных порошков и присыпок; кроме того, она уменьшает кислотность желудочного сока.

      Жженая  магнезия (MgO) тоже нейтрализует желудочный сок. Кроме того, она применяется внутрь при кислотных отравлениях.

Использованная  литература

      1. Беляев А.И. История магния. М.: Наука, 1974.

      2. Некрасов Б.В. Основы общей химии. М.: Химия, 1967.

      3. Николаев Г.И. Магний служит человеку. М.: Металлургия, 1978.

      4. Самсонов Г.В., Перминов В.П. Магниды. Киев: Наукова думка, 1971.

      5. Тихонов В.Н. Аналитическая химия магния. М.: Наука, 1973.