Магний

Магний один из самых распространенных в земной коре элементов, онзанимает IV место после кислорода, кремния, алюминия, железа и кальция МОСКОВСКИЙГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. М.В. ЛОМОНОСОВАБИОЛОГИЧЕСКИЙФАКУЛЬТЕТ Магний студентгруппы 104 Георгий Александрович Базыкин Автор Москва, 17 декабря 1996 г.Магний один из самых распространенных в земной кореэлементов, он занимает VI место после кислорода, кремния, алюминия, железа икальция.В литосфере по А.П.Виноградову содержание магния составляет 2,1 . Вприроде магний встречается только в виде соединений.

Он входит в состав многихминералов карбонатов, силикатов и др. К числу важнейших из таких минералов относятся,в частности, углекислые карбонатные породы, образующие огромные массивы на сушеи даже целые горные хребты магнезитMgCO3 и доломит MgCO3 158 CaCO3. Под слоями различныхнаносных пород совместно с залежами каменной соли известны колоссальные залежии другого легкорастворимого магнийсодержащего минерала карналлита MgCl2 158 KCl 158 6H2O в Соликамске, например, пласты карналлита достигаютмощности 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 магнийсодержащиеминералы это бруцит Mg OH 2, кизерит MgSO4, эпсонит MgSO4 158 7H2O, каинит MgSO4 158 KCl 158 3H2O. На поверхности Земли магнийлегко образует водные силикаты тальк, асбест и др примером которых можетслужить серпентин 3MgO 158 2SiO2 158 2H2O. Из известных науке 1500 минералов около 200 более 13 содержат магний. Однако природные соединения магния широко встречаются и врастворенном виде. Кроме различных минералов и горных пород, 0,13 магния ввиде MgCl2 постоянно содержатся в водахокеана его запасы здесь неисчерпаемы около 6 158 1016 т и в соленых озерах и источниках.

Врастительных и животных организмах магний содержится в количествах порядкасотых долей процента, а в состав хлорофилла входит до 2 Mg. Общее содержание этогоэлемента в живом веществе Земли оценивается величиной порядка 1011тонн. При недостатке магния приостанавливается рост и развитие растений.Накапливается он преимущественно в семенах.

Введение магниевых соединений впочву заметно повышает урожайность некоторых культурных растений например,свеклы .Металлический магний был впервые получен в 1828 г. А. Бюсси. Основнойспособ получения магния электролиз расплавленного карналлита или MgCl2. Металлический магний имеет важное значение длянародного хозяйства. Он используется при изготовлении сверхлегких сплавов дляавиационной и ракетной техники, как легирующий компонент в алюминиевых сплавах,как восстановитель при магниетермическом получении металлов титана, циркония ит.п в производстве высокопрочного магниевого чугуна со включеннымграфитом.

Другие соединения магния окись, карбонат, сульфат и т.п. совершенно необходимы при изготовлении огнеупорных материалов, цементов ипрочих строительных материалов.

Магний кристаллизуется в гексагональную плотноупакованнуюрешетку, на каждой ячейке которой по 6 атомов, из них 3 в вершинах и вцентре базисных граней, а 3 в центрах трех тригональных призм.

Занятые исвободные призмы чередуются.Физические и химическиесвойстваМагний серебристо-белый блестящий металл, сравнительномягкий и пластичный, хороший проводник тепла и электричества. На воздухе онпокрывается тонкой оксидной пленкой, придающей ему матовый цвет. Кристаллическаярешетка магния относится к гексагональной системе.

Атомный радиус, 1,6 Радиус иона Mg2 , 0,74 Энергия ионизации, эв, для Mg0 Mg 7,64 для Mg Mg2 15,03 Плотность 20 oC , г см3 1,739 Температура плавления oC 651 Температура кипения, oC 1107 Теплота плавления, кал г-атом 2100 Теплота испарения, кал г-атом 31000 Теплота возгонки при 25 oC , кал г-атом 35000 Удельная теплоемкость 20 oC , кал г-град 0,248 Теплопроводность 20 oC , кал см 158 сек. град 0,37 Удельное электрическое сопротивление, Ом 158 см 4,5 158 10-6 Поперечное сечение захвата тепловых электронов, барн 0,059 Электропроводность Hg 22 В природе магний встречается в виде трех стабильныхизотопов 24Mg 78,60 , 25Mg 10,11 и 26Mg 11,29 . Искусственно были получены изотопы с массами23, 27 и 28.В периодической системе элементов магний располагается вглавной 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, вкоторые вступает магний. Строение внешних электронных оболочек атома Mg 3s2 соответствует его нульвалентному состоянию.

Возбуждениедо обычного двухвалентного 3s3p требует затраты 62 ккал г-атомНа внешнем электронном уровне атома содержатся только 2электрона, которые легко отдаются для образования стабильной 8-электроннойконфигурации, в результате чего образуются двухвалентные положительнозаряженные ионы магния.

Поэтому химически магний очень активен, на воздухеокисляется, но образующаяся при этом на поверхности окисная пленка отчастипрепятствует дальнейшему окислению.Магний наряду с бериллием, кальцием, стронцием, барием и радием относитсяк группе щелочноземельных металлов.

Все они имеют бело-серебристый цвет исключение составляет барий он светло-серый , все они мягкие и легкие кромерадия он тяжелый и радиоактивный .Щелочноземельные металлы плохо проводят электрический ток почти все онинеустойчивы 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 восстановителейв промышленном многих веществ.

Но как конструкционный материал из всей группышироко 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 0,85исходного.

Аллотропические модификации магния неизвестны.На магний не оказывают заметного действиядистиллированная вода, фтористоводородная кислота любой концентрации, водныерастворы 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 минеральныемасла.

Разрушающе действуют на магний морская и минеральнаявода, водные растворы HCl, H2SO4, HNO3, H3PO4, кремнефтористоводородныекислоты, водные растворы галоидных солей, сернистых соединений, NH3, его водные растворы, NxOy, растворы двууглекислой соды, органические кислоты,водные и спиртовые растворы хлорметила и хлорэтила, метиловый спирт, гликоли игликолевые смеси, многие альдегиды.При комнатной температуре на воздухе компактный магнийхимически стоек. На его поверхности образуется оксидная пленка, предохраняющаяметалл от окисления.

При нагревании химическая активность магния повышается.Считается,что верхний температурный предел устойчивости магния в кислороде лежит винтервале 350 400 oC.На воздухе магний воспламеняется при температуре 600-650 oC, при этом образуется MgO, частично Mg3N2 при 400 500 oC в атмосфере H2 под давлением образуется гидрид MgH2. Реакции сопровождаются большим выделением тепла чтобынагреть стакан ледяной воды до кипения, достаточно 4 г магния и мощным излучениемультрафиолета.При нагревании магний взаимодействует с галогенами собразованием галогенидов при 500 600 oC при взаимодействии с серой образуется MgS при более высокойтемпературе возможно образование карбидов MgC2 и Mg2C3, силицидов MgSi и Mg3Si2, фосфида Mg3P2.Нормальный электродный потенциал магния в кислой средесоставляет -2,37 в, в щелочной -2,69 в. Магний сильный восстановитель, может вытеснитьбольшинство металлов из их солей, H2 из воды и кислот.Холодная вода на магний почти не действует, с горячейводой он медленно взаимодействует с выделением водорода.

В разбавленныхкислотах магний растворяется даже на холоду.

В HF магний не растворяется, поскольку на поверхностиобразуется пленка из трудно растворимого в воде MgF2 в концентрированной H2SO4 почти не растворяется.Нормальный потенциал магния равен -2,37 в в кислой среде и -2,69 в в щелочнойсреде .Поэтому оба металла должны были бы разлагать воду. Однако при обычнойтемпературе такое разложение практически не происходит.

Обусловлено это малойрастворимостью оксида магния, образующего защитный слой на поверхности металла. С водным раствором аммиака магний почти не реагирует,зато он растворим при действии на него растворов солей аммония.Реакция в этомслучае идет по схеме 2NH4 Mg Mg2 H2 2NH3.Растворы щелочей на магний не действуют.

Соединения магнияПоляризующая способность иона Mg2 невысока, а по величине коэффициента поляризации,который количественно характеризует деформируемость иона, магний уступаетбольшинству металлов.Поэтому комплексные соединения магния малоустойчивы иобразуются обычно только в щелочной среде.Ниже представлены теплоты образования некоторыхсоединений 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 образованияаналогичных производных бериллия и магния близки при сравнительно малых объемахметаллоидных атомов F, O, N и сильно расходятся при больших Cl, Br, I, S . Так как сам атом магниязначительно больше атома бериллия, это свидетельствует о значительной ролиобъемных 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 наэлементы.

MgO растворима в воде тем труднее,чем сильнее она была предварительно прокалена.

Такое снижение реакционнойспособности обусловлено в данном случае укрупнением кристаллов.При хранении навоздухе оксид магния постепенно поглощает влагу и CO2, переходя в Mg OH 2 и в MgCO3. Окись магния изредка встречается в природе минералпериклаз . Получаемая прокаливанием природного магнезита MgO является исходным продуктом для изготовления различныхогнеупорных изделий и искусственных строительных материалов ксилолит и др. Кашица из замешанной на очищенном бензине окиси магния может быть использованадля снятия с бумаги жировых и масляных пятен ею смазывают пятно и дают бензинуиспариться, после чего удаляют сорбировавшую жир окись магния.В основе ксилолита лежит магнезиальный цемент, получаемыйсмешиванием предварительно прокаленной при 800оС окиси магния с30 -ным водным раствором MgCl2 на 4 вес. ч. MgO берется 1 вес. ч. безводного MgCl2 . Вследствие образования более или менее длинных цепейтипа Mg O Mg O Mg с гидроксилами или атомамихлора на концах смесь через несколько часов дает белую, очень прочную и легкополирующуюся массу.

При изготовлении ксилолита к исходной смеси примешиваютопилки и т.п. Кроме ксилолита, используемого главным образом для покрытияполов, на основе магнезиального цемента часто готовят жернова, точильные камнии т.д.Белый амфотерный гидроксид магния очень малорастворим вводе. Растворенная часть Mg OH 2 диссоциирована по типу основания и являетсяэлектролитом слабой силы. Осаждение Mg OH 2 в процессе нейтрализации кислого растворанаступает при pH 10,5. Гидроксид магния встречается в природе минералбрусит . Помимо кислот, он растворим в растворах солей аммония что важно дляаналитической химии . Растворение, например, в NH4Cl протекает по схеме Mg OH 2 2NH4Cl MgCl2 2NH4OH и обусловлено образованиемсравнительно малодиссоциированного гидроксида аммония.Для магния известна аналогичная гидроксиду этоксиднаяпроизводная Mg OC2H5 2. Она может бытьполучена взаимодействием амальгамы магния со спиртом и представляет собой белыйпорошок, 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 жидкостигорький вкус. Соли Mg гидролизуются водой только принагревании раствора.Почти все галоидные соли магния расплываются на воздухе илегкорастворимы в воде. Исключением является MgF2, растворимость которого весьма мала 0,08 г л . Большинство солей выделяется израстворов в виде кристаллогидратов напр. MgCl2 6H2O . При их нагревании происходит отщепление части галоидоводороднойкислоты и остаются труднорастворимые в воде основные соли.Нитрат магния легкорастворим не только в воде, но и вспирте.

Кристаллизуются он обычно в виде Mg NO3 2 6H2O т. пл. 90оС . Принагревании выше температуры плавления нитрат отщепляет не только воду, но и HNO3, а затем переходит в оксид.Для сульфата магния характерен легкорастворимыйкристаллогидрат MgSO4 7H2O. Он полностью обезвоживаетсяпри 200оС. Константа электролитической диссоциации MgSO4 5 103. В природе MgSO4 встречается в виде минералов горькой соли MgSO4 7H2O и кизерита MgSO4 H2O. Кизерит может служитьхорошим 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 втекстильной 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 качествекалийного минерального удобрения.Почти нерастворимый в воде нормальный карбонат магнияможет быть получен только при одновременном присутствии в растворе большогоизбытка CO2. В противном случаеосаждаются также почти неростворимые основные соли. Белая магнезия это основная соль приблизительного состава 3MgCO3 Mg OH 2 3H2O. МагнидыКристаллические структуры магнидов, по сравнению сомногими системами на основании других металлов, значительно различаются междусобой.

В первом приближении все магниды можно разделить на две большие группы магниды, имеющие структуры, типичные для металлов исплавов магниды, имеющие структуры, типичные для ионных илигетерополярных соединений.Граница между этими группами условна, но, в общем,увеличение атомного номера в периоде сопровождается последовательным переходомот соединений металлического типа к валентным и ионным соединениям.

Существуют несколько способов получения магнидов важнейшими из них являются следующие 1 синтез из компонентов по реакции общего видаxMe yMg MexMgy, реакция осуществляется сплавлением, спеканием илигорячим прессованием , дистилляцией.

Этим методом можно получать всеобнаруженные к настоящему времени магниды двойных или многокомпонентных систем 2 магниетермическое восстановление или восстановлениегаллоидными соединениями MeO Mg MeMg MgOПрименяется в случаях, когда прямое сплавление не даетположительного результата 3 электрохимический способ электролитическоевыделение 4 термическое разложение термолиз например, MgB2 800 960 C MgB4 970 C MgB6 gt 1200 C MgB12 . Применение магнидов в техникеМагниды фазовые составляющие многих сплавов на основе Mg, которые благодаря высокойудельной прочности, хорошей обрабатываемости, коррозионной стойкости широкоприменяются в технике.

Магниды входят в состав некоторых промышленных сплавовна основе алюминия. Область применения магниевых сплавов расширяется привведении в их состав небольшого количества магнидов, придающих им определенныефизические свойства.

Так, сплавы магния с редкоземельными металламипредставляют значительный практический интерес, поскольку механические свойствамагния и его сплавов при повышении температуры могут быть значительно улучшеныпутем введения небольших количеств редкоземельных металлов.

Практическийинтерес представляют сплавы Mg Zr, поскольку сравнительно небольшая добавка циркониясущественно уменьшает размер зерна магния и таким образом улучшает механическиесвойства материала.

Такие сплавы применяются, например, в качестве материаладля оболочек тепловыделяющих элементов реактора с графитовым замедлителем итеплоносителем CO2. История магнияПриродные магнийсодержащие материалы магнезит и доломитиздавна использовались в строительстве.Во время засухи в Англии летом 1618 г. Генри Уикеробнаружил на пастбище в Эпсоме небольшую ямку, заполненную водой, которуюживотные отказывались пить. Позднее обнаружилось, что при наружном и внутреннемупотреблении эта вода проявляет целебные свойства.

С середины XVII века Эпсом приобретаетизвестность как курорт с источником минеральной воды.Вскоре натуральной соли из этого источника стало нехватать, что привело к усиленным поискам ее искуственного заменителя.

КаспарНеуманн 1683 1757 заявил, что приготовил искусственную эпсомскую сольпосредством добавления H2SO4 к водному раствору морскойсоли, привозимой из Испании и Португалии.

Он отличил эпсомскую соль MgSO4 от мирабилитовой соли Глаубера Na2SO4 и указал, что земля горькой слабительной солиназывается magnesia alba белая магнезия , по названиюместности в горном районе Греции, где впервые было обнаружено этосоединение.

Магнезию долго не моглиотличить от извести лишь в XVIII в. немецкий врач-терапевт Фридрих Гоффман 1660 1742 установил, что эти соединения различны.Первые попытки выделить металлическую основу магнезии вчистом 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 иполучил металлический Na и K. Он решил попытаться аналогичнымобразом осуществить разложение оксидов щелочноземельных металлов и магнезии.

Всвоих первоначальных опытах Дэви пропускал ток через влажные оксиды,предохраняя их от соприкосновения с воздухом слоем нефти однако при этом металлысплавлялись с катодом и их не удавалось отделить.Дэви пробовал применять множество различных методов, новсе они по разным причинам оказывались малоуспешными.

Наконец, его постиглаудача он смешал влажную магнезию с оксидом ртути, поместил массу на пластинкуиз платины и пропустил через нее ток амальгаму перенес в стеклянную трубку,нагрел, чтобы удалить ртуть, и получил новый металл.

Тем же способом Дэвиудалось получить барий, калий и стронций.Выделив металлическую основу, Дэви назвал новый металл magnium, так каксчитал, что слово magnesium легко спутать с manganese, то есть смарганцем.

Тем не менее название magnesium вошло в употребление во многих языках, так что новыйметалл 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 былвпервые получен в 1828 г.Антуаном Александром Брутом Бусси 1794 1882 путем нагревания смеси безводногоMgCl2 c калием в стеклянной трубке. В результате реакции калийсоединился 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 сметодом Брута Бусси, во Франции, Англии и Соединенных Штатах работали небольшиезаводы, производившие металлический магний.

Такое производство существовало доконца прошлого века, пока не был создан электролитический способ получения магния.Конкурировать с ним химический способ не смог, поскольку использовалдорогостоящие восстановители металлический натрий и калий, кроме того, прихимическом способе не удавалось создать периодический технологический процесс.Появление электролитическогоспособа получения магнияВ 1830 г. Майкл Фарадей получил несколько граммовметаллического магния путем пропускания электрического тока через расплав MgCl2. В 1852 г. этот метод был детально исследован и усовершенствованРобертом Бузеном 1811 1897 , который также осуществил первое массовоепроизводство Магния.

С помощью его электролизера, состоящего из фарфоровоготигля и двух угольных электродов пилообразной формы, погружаемых сверху врасплав обезвоженного MgCl2, ему удавалось всего занесколько секунд получать королек магния весом в несколько грамм.Пилообразная форма электродов была необходима для удержания капелек магния воизбежание их подъема на поверхность и самовоспламенения.

При этомпринципиальное значение для повышения производительности играла полнаяобезвоженность MgCl2.Технология электролитического получения магния за времясвоего применения подверглась значительным усовершенствованиям, однако еепринципы, естественно, остались без кардинальных изменений. Современноеаппаратурное оформление электролитического производства Магния принципиальномало чем отличается от первого магниевого электролизера промышленного типа на300 а, разработанного Гретцелем ипримененного им впервые в 1883 г. В качестве катода использовался стальной тигель 1 ,анода графитовый электрод 2 в центре диафрагмы 3 из пористого фарфора.

Диафрагмаслужила для разделения продуктов электролиза магний поднимался на поверхностьэлектролита вне диафрагмы, а хлор отводился по трубке 4 . Тигель стоит наплите 5 , закрепленной на решетке 6 , и обогревался горячими газами.

Верхняячасть электролизера выступала над печью и охлаждалась воздухом. Выделяющийся Mg периодически вычерпывался вручнуюдырчатой ложкой. Любой восстановительный газ поступал из трубы 7 вэлектролизер. В качестве электролита использовался расплавленный карналлит.Основным промышленным способом получения магния и сейчасостается электролиз обезвоженного или расплавленного хлористого магния иликарналлита.

Получение 1 т металла с использованием этой технологии требуетзатраты около 20 тыс. квт ч электроэнергии.До первой мировой войны во всем мире работало только 2магниевых завода в Геттингене и в Биттерфельде, получавших магнийэлектролизом его расплавленных хлоридов. В то время производилось всегонесколько сот тонн магния в год, однако потребности всех стран в этом металле,в том числе и России, импортировавшей магний, полностью удовлетворялись.Войнапревратила магний в стратегический материал.

Прекращение экспорта магния изГермании и Франции заставило Англию и США наладить собственное его производствона небольших электролизных установках. В России электролитический метод получения магния впервыеразработал П.П.Федотьев в 1914 г. в Петроградском политехническом институте.В 1931 г. в Ленинграде былпущен первый опытный магниевый завод, настоящее промышленное производство вСССР ведется с 1935 г.Сейчас большая часть магния получается электролизнымспособом, меньшая термическим.

Основные производители магния в мире Россия,США, Норвегия, Франция, Англия, Италия, Канада. Разработка термическихспособов получения магнияМысль о возможности получения металлического магния путемвосстановления его оксида с помощью угля возникла сравнительно давно в 80-хгг. прошлого века, однако реализация этого процесса в ощутимых масштабах оказаласьвозможной только в 30-е гг. текущего столетия.Карботермический способ основанна обратимости реакции MgO C 153ккал CO Mg, равновесие которой при очень высоких температурах выше2000 C eth .Основное методическое препятствие, возникавшее на путирешения этой проблемы, было связано с тем, что когда смесь MgO и С нагревали до высокойтемпературы, восстановление магния действительно происходило, но при постепенномохлаждении продуктов реакции парообразного Mg и СО вновь образовывалисьисходные продукты MgO и С. Было найдено следующее решение парообразный магнийи СО стали разбавлять большим объемом холодных восстановительных газов прирезком снижении температуры с 2500о до 200о. Такимобразом осуществляется закалка продуктов реакции, что предотвращает их обратноевзаимодействие, и в конденсаторе образуется твердый порошкообразный магний, такназываемая пуссьера .В настоящее время практически процесс проводят, накаливаятесную смесь MgO получаемой обжигом природного магнезита c антрацитом в дуговойэлектрической печи. Выделяющиеся пары тотчас разбавляют большим объемом сильноохлажденного водорода. Освобождающийся в виде пыли металлический магний содержащий примеси MgO и C затем переплавляют.

Получаемый подобным образом металл характеризуетсявысокой чистотой 99,97 .Карботермический способ не сыграл, однако, заметной ролив истории производства магния.

Несмотря на свою принципиальную простоту, он несмог конкурировать с электролитическим способом по следующим причинам 1 удельный расход электричества при применениикарботермического способа оказался не ниже, чем в электролитическом способе 2 электролитический процесс непрерывен на всех стадиях,тогда как карботермический периодичен 3 операции по переработке взрывоопасной пусьеры вкомпактный магний сложны и трудо мки.Более значительную роль в истории магния сыграл другойтермический способ его получения силикотермический восстановление MgO кремнием с получениемсвободного Mg .В 1917 г. Гросвенов предложил восстановить MgO элементарным кремнием при нормальномдавлении в атмосфере Н2. Восстановление MgO кремнием и кремнеалюминиевымисплавами в вакууме впервые исследовали в 1925 г. П.Ф.Антипин и А.А.Моисеев.

Силикотермический способ производства магния, так же каки карботермический, начал внедряться в промышленности перед второй мировойвойной и стал широко применяться во время войны, когда необходимо было быстровводить в эксплуатацию новые магниевые заводы.

Этому способствовала распространенностьдешевого сырья для такого производства и сравнительная простота технологиисиликотермического способа.

В технологии, принятой для промышленногоосуществления этого процесса, исходным сырьем служит обожженный доломит, авосстановителем ферросилиций с содержанием не менее 75 Si. Смесь этих веществнакаливают под сильно уменьшенным давлением выше 1200 С.Реакция в этих условиях идет по уравнению 2 CaO MgO Si 124 ккал Ca2SiO4 Mg,причем единственным летучим ее продуктом являютсяпары магния.

За прошедшие с тех пор десятилетия силикотермическийспособ промышленного получения магния был существенно усовершенствован отмалопроизводительных, периодически работающих реторт с внешним нагревом до непрерывнодействующих электротермических установок, оборудованных современными средствамимеханизации и автоматизации.Возможность применения распространенного и дешевогомагниевого сырья магнезит, доломит , резкое сокращение пути от руды дометалла, безвредность производства, отсутствие необходимости в постоянном токеи другие положительные качества делают силикотермический способ производствамагния в его современной технологическом решении перспективным, причем,вероятно, в первую очередь для тех стран, которые не располагают источникомхлормагниевого сырья для электролиза.Правда, суммарный расход электроэнергии на 1 кг силикотермического магния ввиду большого расхода ее на производство восстановителя ферросилиция нениже, а даже несколько выше, чем расход электроэнергии на 1 кг электролитическогомагния, т.е. составляет чуть больше 20 квт-ч электроэнергии переменного тока на1 кгтоварного металла.Это обстоятельство, а также надежность им масштабностьэлектролитического способа производства магния не позволяют пока успешноконкурировать с ним силикотермическому способу при возможности свободноговыбора между ними. Тем не менее, значение термических методов получения магнияс каждым годом возрастает.

История применения магнияНаиболее ранней областью применения металлического магниябыло, по-видимому, использование его в качестве восстановителя.

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

Этот процесс в 80-е годыпрошлого века применялся промышленно на первом немецком алюминиевом заводе вГмелингене.Несколько позже начали использовать способность порошкамагния и тонкой магниевой ленты гореть ослепительно белым пламенем с выделениембольшого количества тепла.

Это свойство магния получило применение в фотографиидля моментальных съемок, а также в пиротехнике и для военных целей дляизготовления осветительных ракет . В обоих случаях магний обычно смешивается свеществами, легко отдающими кислород.

Ракетный осветительный состав, например, может содержать 45 Mg, 48 NaNO3 и 7 связующего органического вещества.Наиболее важным практическим применением магния былоиспользование его в качестве основы различных легких сплавов. Затем он сталиспользоваться и в других областях техники, благодаря своим специфическимфизико-химическим и механическим свойствам.По мере развития металлургии магнияего получали все в более чистом виде, что открывало для этого металла новыеобласти применения.1. Неконструкционное применениемагния.Благодаря большому химическому сродству к кислородумагний способен отнимать его у многих оксидов, также как и хлор у хлоридов. Наэтом свойстве магния основана магниетермия, открытая Бекетовым как способполучения других металлов вытеснением их магнием из соединений.

Она приобрелабольшое значение для современной металлургии.В качестве примера можно указать,что магниетермия стала основным способом в производстве таких металлов, какбериллий и титан.

С помощью магниетермии были получены такие трудновосстанавливаемыеметаллы, как ванадий, хром, цирконий и другие. Магний используется длярафинирования вторичного алюминия от примеси магния путем переплавки металла сжидкими хлоридными флюсами, содержащими криолит.В этом случае магний из металлическойфазы переходит в солевую в форме фтористого магния.Большая химическая активность магния по отношению ккислороду позволяет применять его в качестве раскислителя в производстве сталии цветного литья, а также в порошкообразном виде для обезвоживанияорганических веществ спирта, анилина и др. .Важное значение в современной химической технологииполучил синтез сложных веществ с помощью магнийорганических соединений.

Такимпутем был синтезирован, в частности, витамин А.Высокий электроотрицательный электродный потенциал далвозможность с большим эффектом применять магний в качестве материала для анодовпри катодной защите от коррозии стальных и железных сооружений, находящихся вовлажном грунте.Легкая воспламеняемость дисперсного магния и способностьего гореть ослепительным белым пламенем долгое время использовалась вфотографии.Магниевый порошок стали применять также в качествевысококалорийного горючего в современной ракетной технике.Введение небольшого количества металлического магния вчугун позволило значительно улучшить его механические в частности,пластические свойства.Глубокая очистка магния от примесей, достигнутая впоследнее время, позволила использовать его в качестве одного из компонентовпри синтезе полупроводниковых соединений.2. Конструкционное применениемагния.Основное преимущество металлического магния еголегкость магний самый легкий из конструкционных металлов . Технически чистыймагний обладает невысокой механической прочностью, однако введение в него внебольшом количестве других элементов алюминия, цинка, марганца можетзначительно улучшить его механические свойства почти без увеличения удельноговеса.

На основе этих свойств магния был создан знаменитый сплав Электрон ,содержащий, помимо магния, 6 алюминия, 1 цинка и 0,5 марганца.

В настоящеевремя под техническим названием электрон понимаются вообще все сплавы, в которыхмагний является главной составной частью . Плотность этого сплава 1,8 г см3 прочность на разрыв до 32 кГ мм2 твердость по Бринелю 40 55кГ мм2. Этот, а также многие другие сплавы на основе магния широкоприменялись в авиа- и автостроении.

В последнее время, однако, оказалось, чтоэти сплавы резко изменяют свои механические свойства при повышении температуры,и они были признаны непригодными.

В результате было создано множество новыхсплавов, отличавшихся значительно лучшими механическими и антикоррозийнымисвойствами, а также повышенной жаропрочностью и способностью сохранять своипрочностные характеристики при повышении температуры.В эти сплавы вводилисьнебольшие добавки различных элементов циркония, тория, цинка, серебра, меди,бериллия, титана и других. Подобного рода сплавы нашли широкое применение вавиации и ракетостроении.Кроме того, было создано большое количество разнообразныхсплавов, в которых магний не является главной составной частью.

Важнейшим изтаких сплавов является магналий сплав алюминия с 5-30 магния.Магналийтверже и прочнее чистого алюминия, легче последнего обрабатывается и полируется.Как магналий , так и электрон на воздухе покрываютсязащитной окисной пленкой, предохраняющей их от дальнейшего окисления.Введение 0,05 Mgв чугун резко повышает его ковкость исопротивление разрыву.

Многие магниевые детали применяются в настоящее время всамых разных областях электротехники. Небольшой вес изделий, выполненных измагниевых сплавов, явился также важной причиной применения их для изготовленияразличных бытовых предметов и аппаратуры.Магниевые детали очень хорошо поглощают вибрацию.Ихудельная вибрационная прочность почти в 100 раз больше, чем у лучшихалюминиевых сплавов, и в 20 раз больше, чем у легированной стали.

Это оченьважное свойство при создании разнообразных транспортных средств.Магниевые сплавы превосходят сталь и алюминий по удельнойжесткости и поэтому применяются для изготовления деталей, подвергающихся изгибающимнагрузкам продольным и поперечным . Магниевые сплавы немагнитны, совершенно недают искры при ударах и трении, легко обрабатываются резанием в 6-7 раз легче,чем сталь, в 2-2,5 раза чем алюминий .Магний и его сплавы обладают очень высокойхладостойкостью.Долгое время считалось, что область возможного применениямагния ограничивается его легкой воспламеняемостью.

Действительно, небольшиекусочки магния воспламеняются на воздухе при температуре 550оС.Однако изделия из магния и магний в слитках неогнеопасны, так как магний имееточень высокую теплопроводность и нагреваемый участок детали быстрораспространяет тепло по всей детали.Были даже попытки применения магния дляизготовления двигателей внутреннего сгорания в испытаниях он хорошо выдерживалтепло, но оказался недостаточно стоек к агрессивному воздействию продуктов сгорания.Поэтому магниевые поршни используются редко, в основном в гоночных машинах и втехнике специального назначения.Основной недостаток магния пониженная стойкость противкоррозии. Магний сравнительно устойчив в сухом атмосферном воздухе в дистиллированной воде, но быстроразрушается в воздухе, насыщенном водными парами и загрязненном примесями, вособенности сернистым газом.Магний нестоек в очень многих веществах, так как являетсясамым активны из конструкционных металлов.

Его поверхностная активная пленкаимеет пористую структуру и поэтому слабо защищает от коррозии.Магний совершенно устойчив к плавиковой кислоте и другимсоединениям фтора, так как при контакте с ним образуется слой MgF2 прочнаясплошная пленка.

На этом основано применение магния для изготовления тары и насосовдля перекачки плавиковой кислоты.Магний стоек и при контакте с другими галогенами, причем,в отличие от алюминия, он спокойно переносит сухой хлор и стремительно разрушается во влажном.На стойкости магния в броме и иоде основано применениеего для изготовления резервуаров для их хранения.

Кроме того, он устойчив вбензине, керосине, смазочных маслах, жирах и т.п. и из него делают емкости дляхранения нефти и нефтепродуктов и бензобаки.Поверхность магниевых сплавов защищают от коррозиинанесением слоев лака, пленкой более стойкого металла, либо электрохимической ихимической обработкой, а иногда нанесением слоев эмали.Чем чище магний, тем он устойчивее к коррозии.

Этосвязано с тем, что он вступает в электрохимическую реакцию с крупицамипрактически любых других элементов, которая разрушает из двух веществ болееактивное.Особенно вредоносными являются примеси железа, никеля, меди, хрома,свинца, кобальта они способствуют коррозии магния даже в очень небольшихколичествах например, предельно допустимая концентрация железа в промышленновыпускаемом магнии составляет 0,01 , никеля 0,0005 . С другой стороны, такие элементы, как марганец, цирконий,цинк, титан улучшают коррозионную стойкость магния при добавлении к магниевомусплаву нескольких девятых процентов титана коррозионная стойкость увеличиваетсяв 3 раза. Возможности применения магния еще далеко не исчерпаны, аесли учитывать широкое распространение магния в природе, относительную простотуспособов его производства и ряд благоприятных свойств этого металла, можно полагать,что дальнейшее развитие металлургии магния будет в первую очередь определятьсяего общетехническим значением.

Биологическая роль магнияВ человеческом организме количество магния составляетвсего несколько десятых или сотых долей процента, однако он играет немаловажнуюроль в процессах жизнедеятельности.

Доказано, что недостаток магния в организмеспособствует заболеванию инфарктом миокарда.Недостаточное количество магния вкрови признак переутомления или стрессового состояния.Основные продукты, содержащие магний это абрикосы,персики, цветная и белокочанная капуста, помидоры, картофель.Потребность взрослого организма в магнии составляет300 500 мг день. Обычно магний в достаточном количестве поступает с пищей, вслучае нехватки его недостаток проще всего восполнить, потребляя минеральнуюводу.

В организме усваивается менее 40 поступающего в него магния, так как егосоединения плохо всасываются кишечником.Магний усиливает процессы обмена углеводовв мышцах, укрепляет кости если в организме нарушено магние-кальциевоеравновесие, то почти весь магний включается в состав костных тканей, вытесняяоттуда кальций.

Это ведет к заболеванию рахитом.В нервной системе также содержатся большие количествамагния, особенно в спинном мозге. Большое значения магния для деятельностинервной системы подтверждается тем, что при инъекции магния в кровь человек илиживотное впадает в состояние, близкое к наркотическому. Это свойство магнияиспользуется в медицине.В организмах некоторых животных содержание магниясравнительно высоко.Так, например, в организме известковой губки содержится 4 магния, в талломе некоторых водорослей больше 3 .Магний входит в состав хлорофилла и, следовательно,играет незаменимую роль в фотосинтезе и в газообмене планеты общее содержаниемагния в тканях растений на Земле по некоторым оценкам составляет порядка 1011тонн.Кроме хлорофилла, магний во всех тканях растенийучаствует также в образовании жиров, в превращении фосфорных соединений.Особенно много магния в соке каучуконосных растений.

Нехватка магния приводит куменьшению количества хлорофилла и к побледнению и смене окраски листьев накрасную и желтую.

Магний как лекарственноесредствоАнглийская соль MgSO4 7H2O используетсякак слабительное и желчегонное средство.При инъекциях она вызывает состояние,близкое к наркотическому, и используется для борьбы с судорогами, для лечениягипертонии, психического возбуждения в сочетании с другими препаратами дляобезболивания при родах.Водные растворы тиосульфата магния используются длялечения ожогов и других заболеваний кожи. Белая магнезия MgCO3 входит в состав зубных порошков и присыпок крометого, она уменьшает кислотность желудочного сока. Жженая магнезия MgO тоже нейтрализует желудочныйсок.

Кроме того, она применяется внутрь при кислотных отравлениях.Приложение.Практическаячасть. 1. 2Mg O2 2MgO магний горит в кислороде воздухаослепительно-белым пламенем .2. Mg 2HCl MgCl2 H2 выделяемый кислород можноопределить по пузырькам на поверхности металла и по взрыву при поджигании .3. Mg H2O Mg OH 2 H2 реакция идет очень медленнопри кипячении .4. Mg 2H2O 2NH4Cl MgCl2 2NH4OH H2 при проведении реакцииощущается характерный запах аммиака . В этой и предыдущей реакции образующийся MgCl2 можно определитьс помощью реакции MgCl2 2AgNO3 2AgCl Mg NO3 2.5. MgO MgCl2 H2O 2MgOHCl образование магнезиального цемента . Через некотороевремя цемент затвердевает.6. MgO H2O Mg OH 2 реакция идет при нагревании . Образующийся Mg OH 2 в этой иследующей реакции можно определить по фиолетовому окрашиванию добавляемого растворафенолфталеина.7. MgSO4 2NaOH Mg OH 2 Na2SO4 выпадает желтоватый осадок Mg OH 2 .8. MgCl2 Na2CO3 MgCO3 2NaCl выпадаетбелый осадок MgCO3 .9. MgCO3 2HCl MgCl2 CO2 H2 MgCl2 2AgNO3 2AgCl Mg NO3 2 Ca OH 2 CO2 CaCO3 H2O.10. MgCl2 NaOH Mg OH 2 2NaCl 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.