Получение магния. Магний. Характеристика металла магния — его применения, свойства и цена

Магний
Атомный номер	12
Внешний вид простого вещества	лёгкий, ковкий, серебристо-белый металл
Свойства атома
Атомная масса (молярная масса)	24,305 а. е. м. ( /моль)
Радиус атома	160 пм
Энергия ионизации (первый электрон)	737,3 (7,64) кДж/моль (эВ)
Электронная конфигурация	3s 2
Химические свойства
Ковалентный радиус	136 пм
Радиус иона	66 (+2e) пм
Электроотрицательность (по Полингу)	1,31
Электродный потенциал	−2,37 В
Степени окисления	2
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность	1,738 г/см³
Молярная теплоёмкость	24,90 Дж/(K·моль)
Теплопроводность	156 Вт/(м·K)
Температура плавления	922 K
Теплота плавления	9,20 кДж/моль
Температура кипения	1 363 K
Теплота испарения	131,8 кДж/моль
Молярный объём	14,0 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	гексагональная
Параметры решётки	a=3,210 c=5,21 Å
Отношение c/a	1,624
Температура Дебая	318 K

Mg	12
24,305
3s 2
Магний

Магний — элемент главной подгруппы второй группы, третьего периода периодической системы химических элементов, с атомным номером 12. Обозначается символом Mg Magnesium. Простое вещество магний (CAS-номер: 7439-95-4) — лёгкий, ковкий металл серебристо-белого цвета.

История

Происхождение названия

В 1695 году из минеральной воды Эпсомского источника в Англии выделили соль, обладавшую горьким вкусом и слабительным действием. Аптекари называли её горькой солью, а также английской, или эпсомской солью. Минерал эпсомит имеет состав MgSO 4 · 7H 2 O.

Впервые был выделен в чистом виде сэром Хемфри Дэви в 1808 году.

Получение

Обычный промышленный метод получения металлического магния — это электролиз расплава смеси безводных хлоридов магния MgCl 2 (бишофит), натрия NaCl и калия KCl. В этом расплаве электрохимическому восстановлению подвергается хлорид магния:

MgCl 2 (электролиз) = Mg + Cl 2 .

Расплавленный металл периодически отбирают из электролизной ванны, а в нее добавляют новые порции магнийсодержащего сырья. Так как полученный таким способом магний содержит сравнительно много — около 0,1 % примесей, при необходимости «сырой» магний подвергают дополнительной очистке. С этой целью используют электролитическое рафинирование, переплавку в вакууме с использованием специальных добавок — флюсов, которые «отнимают» примеси от магния, или перегонку (сублимацию) металла в вакууме. Чистота рафинированного магния достигает 99,999 % и выше.

Разработан и другой способ получения магния — термический. В этом случае для восстановления оксида магния при высокой температуре используют кокс:

или кремний. Применение кремния позволяет получать магний из такого сырья, как доломит CaCO 3 ·MgCO 3 , не проводя предварительного разделения магния и кальция. С участием доломита протекают реакции:

CaCO 3 ·MgCO 3 = CaO + MgO + 2CO 2 ,

2MgO + CaO + Si = Ca 2 SiO 4 + 2Mg.

Преимущество термического способа состоит в том, что он позволяет получать магний более высокой чистоты. Для получения магния используют не только минеральное сырье, но и морскую воду.

Физические свойства

Магний — очень легкий, довольно хрупкий металл, постепенно окисляется на воздухе, превращаясь в белый оксид магния. Кристаллическая решетка α-формы Ca (устойчивой при обычной температуре) гранецентрированная кубическая, а = 5,56Å. Атомный радиус 1,97Å, ионный радиус Ca2+, 1,04Å. Плотность 1,74 г/см³(20 °C). Выше 464 °C устойчива гексагональная β-форма. t пл = 650 °C, t кип = 1105 °C; температурный коэффициент линейного расширения 22.10-6 (0-300 °C); теплопроводность при 20 °C 125,6 Вт/(м.К) или 0,3 кал/(см.сек.°C); удельная теплоемкость (0-100 °C) 623,9 дж/(кг.К) или 0,149 кал/(г.°C); удельное электросопротивление при 20 °C 4,6.10-8 ом.м или 4,6.10-6ом.см; температурный коэффициент электросопротивления 4,57.10-3 (20 °C). Модуль упругости 26 Гн/м² (2600 кгс/мм²); предел прочности при растяжении 60 Мн/м² (6 кгс/мм²); предел упругости 4 Мн/м² (0,4 кгс/мм²), предел текучести 38 Мн/м² (3,8 кгс/мм²); относительное удлинение 50 %; твердость по Бринеллю 200—300 Мн/м² (20-30 кгс/мм²). Магний достаточно высокой чистоты пластичен, хорошо прессуется, прокатывается и поддается обработке резанием.

Химические свойства

Смесь порошкового магния с перманганатом калия KMnO 4 — взрывчатое вещество! Раскаленный магний реагирует с водой:
Mg (раск.) + Н 2 О = MgO + H 2 ;
Щелочи на магний не действуют, в кислотах он растворяется легко с выделением водорода:
Mg + 2HCl = MgCl 2 + H 2 ;
При нагревании на воздухе магний сгорает, с образованием оксида, также с азотом может образовываться небольшое количество нитрида:
2Mg + О 2 = 2MgO;
3Mg + N 2 = Mg 3 N 2

Определение

Серебристо-белый, средний по твердости металл. Средне распространен в природе. При горении выделяется большое количество света и тепла.

Применение

Сплавы

Сплавы на основе магния являются важным конструкционным материалом в авиационной и автомобильной промышленности благодаря их лёгкости и прочности. Цены на магний в слитках в 2006 году составили в среднем 3 долл/кг.

Химические источники тока

Магний в виде чистого металла, а так же его химические соединения (бромид, перхлорат) применяются для производства очень мощных резервных электрических батарей (например магний-перхлоратный элемент, серно-магниевый элемент, хлористосвинцово-магниевый элемент, хлорсеребряно-магниевый элемент, хлористомедно-магниевый элемент, магний-ванадиевый элемент и др), и сухих элементов (марганцево-магниевый элемент, висмутисто-магниевый элемент, магний-м-ДНБ элемент и др). ХИТ на основе магния отличаются очень высокими значениями удельных энергетических характеристик и высоким разрядным напряжением. В последние годы в ряде стран обострилась проблема разработки аккумулятора с большим сроком службы, так как теоретические данные позволяют утверждать очень большие перспективы его широкого использования (высокая энергия, экологичность, доступность сырья).

Соединения

Гидрид магния — один из наиболее емких аккумуляторов водорода, применяемых для его хранения.

Огнеупорные материалы

Оксид магния MgO применяется в качестве огнеупорного материала для производства тиглей и специальной футеровки металлургических печей.

Перхлорат магния, Mg(ClO 4) 2 — (ангидрон) применяется для глубокой осушки газов в лабораториях, и в качестве электролита для химических источников тока с участием магния.

Фторид магния MgF 2 — в виде синтетических монокристаллов применяется в оптике (линзы, призмы).

Бромид магния MgBr 2 — в качестве электролита для химических резервных источников тока.

Медицина

Оксид и соли магния применяется в медицине (аспаркам, сульфат магния, цитрат магния, минерал бишофит). Бишофитотерапия использует биологические эффекты природного магния в лечении и реабилитации широкого круга заболеваний, в первую очередь — опорно-двигательного аппарата, нервной и сердечно-сосудистой систем.

Фотография

Магниевый порошок с окисляющими добавками (нитрат бария, нитрат аммония, перманганат калия, гипохлорит натрия, хлорат калия и т. д.) применялся (и применяется сейчас в редких случаях) в фотоделе в химических фотовспышках (магниевая фотовспышка).

Биологическая роль и токсикология

Магний — один из важных биогенных элементов, в значительных количествах содержится в тканях животных и растений. Магний является кофактором многих ферментативных реакций. Магний необходим для превращения креатина фосфата в АТФ — нуклеотид, являющийся универсальным поставщиком энергии в живых клетках организма. Поэтому магний является тем элементом, который контролирует энергетику организма. Магний необходим на всех этапах синтеза белка. Установлено также, что 80—90 % современных людей страдают от дефицита магния. Это может проявляться по-разному: бессоница, хроническая усталость, остеопороз, артрит, фибромиалгия, мигрень, мышечные судороги и спазмы, сердечная аритмия, запоры, предменструальный синдром (ПМС) и прочие симптомы и болезни. А при частом употреблении слабительных, алкоголя, больших психических и физических нагрузках потребность в магнии увеличивается.

К пище, богатой магнием, относятся: кунжут, отруби, орехи. Магния совсем мало в хлебе, молочных, мясных и других повседневных продуктах питания современного человека. Для получения суточной нормы магния, порядка 300 мг для женщин и 400 мг для мужчин, необходимо выпивать 2—3 литра молока или съедать 1,5—2 кг мяса.

По результатам последних исследований обнаружено, что цитрат магния является наиболее усваиваемым магниесодержащим продуктом.

Установлено, что чтобы усвоить кальций, организму необходим магний. Одним из наиболее биологически целесообразных источников магния при транскутанном (чрезкожном) всасывании является минерал бишофит, широко использующийся в целях медицинской реабилитации, физиотерапии и санаторно-курортного лечения.

Магний, Magnesium, Mg (12)
Название магнезия встречается уже в Лейденском папирусе-Х (Ш в.). Оно происходит, вероятно, от названия города в гористой местности Фессалии — Магнисия. Магнесийским камнем в древности назывались магнитная окись железа, а магнесом — магнит. Эти названия перешли в латинский и другие языки.

Внешнее сходство магнитной окиси железа с пиролизитом (двуокисью марганца) привело к тому, что магнезийским камнем, магнетисом и магне стали называть минералы и руды темной и темно-коричневой окраски, а в дальнейшем и другие минералы. В алхимической литературе слово магнес (Magnes) обозначало многие вещества, например ртуть, эфиопский камень, гераклийский камень. Минералы, rдержащие магний, тоже были известны с глубокой древности (доломит, тальк, асбест, нефрит и др.) и уже тогда находили широкое применение. Однако их считали не индивидуальными веществами, а видоизменениями других, более известных минералов, чаще всего извести.

Установить тот факт, что в магнийсодержащих минералах и солях присутствует особое металлическое основание, помогли исследования минеральной воды Эпсомского источника в Англии, открытого в 1618 г. Твердую соль из горькой эпсомской воды выделил в 1695 г. Грю, указав при этом, что по своей природе эта соль заметно отличается от всех других солей. В XVIII в. эпсомской солью занимались многие видные химики-аналитики — Бергман, Нейман, Блэк и др. Когда в континентальной Европе были открыты источники воды, подобной эпсомской, эти исследования расширились еще больше. По-видимому, Нейман первым предложил называть эпсомскую соль (карбонат магния) белой магнезией в отличие от черной магнезии (пиролюзита). Земля белой магнезии (Magnesia alba) под названием магнезия фигурирует в списке простых тел Лавуазье, причем синонимом этой земли Лавуазье считает «основание эпсомской соли» (base de sel d"Epsom).

В русской литературе начала XIX в. магнезия именовалась иногда горькоземом. В 1808 г. Дэви, подвергая белую магнезию электролизу, получил немного нечистого металлического магния; в чистом виде этот металл был получен Бусси в 1829 г. Вначале Дэви предложил назвать новый металл магнием (Magnium) в отличие от магнезии, которая в то время обозначала металлическое основание пиролюзита (Magnesium). Однако, когда название черной магнезии было изменено, Дэви предпочел называть металл магнезием. Интересно, что первоначальное название магний уцелело только в русском языке благодаря учебнику Гесса. В начале XIX в. предлагались и другие названия — магнезь (Страхов), магнезий, горькоземий (Щеглов).

Сила, притяжение, власть – так трактовал слово «магнес» народ древней Греции. В этой стране был город с названием Магнезия. Возле этих населенных пунктов добывали магнитный железняк, который, как известно, обладает силой притягивать металлические предметы.

Но, металл магний назван не в честь железосодержащей породы, а в честь порошка «белая магнезия». Его греки получали из минерала, так же имевшегося возле древнего поселения. После прокаливания, камень превращался в белый порошок — окись магния . О том, что веществе металл греки не знали, зато, заметили лечебные свойства состава. Он помогал при болезнях печени, почек, играл роль слабительного.

Препарат не выходил из обихода веками и, в 1808-ом году Гефри Дэви выделил из него в ходе опытов неизвестный металл. Долго не думая, ученый из Англии назвал открытый элемент магнезий. Так его и поныне именуют в Европе. Русские же называют металл магнием благодаря учебнику Герману Гессу. Несмотря на немецкие корни, химик русский. В 1831-ом он переводил западный учебник. Слово «магнезий» ученый преобразовал в «магний». Так в отечественной науке элемент и получил особое название.

В периодической таблице химических элементов Магний занимает 12-ю позицию. Он располагается в основной подгруппе группы под номером два. Элемент белый с серебристыми отблесками. Такая расцветка характерна для всех щелочно — земельных металлов, к коим наряду со стронцием, радием и барием, относится и магний. Он «пушинка» среди металлов. К примеру, железо и медь практически в 5 раз тяжелее. Даже легковесный алюминий перетянет элемент №12 на чаше .

Легкость магния на руку конструкторам и производителям летательных аппаратов. Они не должны быть тяжеловесными, чтобы обладать хорошими летательными свойствами. Однако, использовать для тех же самолетов чистый металл №12 нельзя. Он слишком мягок, податлив.

Приходится изготавливать сплавы с марганцем , алюминием или . Они придают марганцу прочность, при этом не сильно утяжеляя. Смеси идут, в основном, на производство обшивки «железных птиц». Первый самолет на основе магниевых сплавов, кстати, дело рук отечественных авиатехников. Судно создали еще в 1934-ом году и назвали «Серго Орджонекидзе».

Элемент магний весьма проблематично переплавить. Требуется всего лишь 650 градусов Цельсия. Однако, уже при 550-ти металл вспыхивает и растворяется в атмосфере. Выделяемое пламя весьма эффектно, поэтому металл нашел применение в пиротехнической промышленности.

Без него не обходится ни один фейерверк или бенгальский огонь. Если дома хранится магний, лучше не проливать рядом с ним хлорку. В присутствии хлора 12-ый элемент загорается даже при температуре в 25 градусов.

Продуктами горения магния являются лучи ультрафиолетового спектра и тепло. Даже несколько граммов металла хватит, чтобы вскипятить 200 миллилитров воды. Этого вполне достаточно, чтобы попить чаю. Ученые же из Варшавы решили «заставить» элемент подогревать пищу. В банки для консервов физики встроили магниевую ленту . При открытии тары, вставка воспламеняется, нагревая содержимое банки. Вот такой готовый обед.

Производить самонагревающиеся консервные банки можно тысячелетиями. Залежи магния в недрах соперничают с запасами лишь 7-ми элементов. Больше только кремния, кислорода, железа, алюминия и кальция. Металл №12 входит в состав двух сотен минералов. Из и карналлита элемент добывают в промышленных масштабах.

Магний также является основной составляющей магмы – раскаленного слоя между ядром планеты и ее поверхностью. В морской же воде элемента №12 и вовсе 4 килограмма на каждый кубометр.

Если воду океанов смешать с раковинами, растолченными в порошок, получится хлорид магния . Из него методом электролиза можно выделить чистый металл. Но, пользовались этим методом только во время второй мировой. Добыли около 100 тысяч тонн элемента №12 и успокоились, ведь перерабатывать ресурсы морей в огромных баках дело хлопотное.

Для металлургии – одного из основных потребителей магния, хватает и его запасов в земной коре. Металл необходим при производстве практически всех сплавов. Элемент №12 уменьшает в них содержание кислорода, который резко ухудшает качество продукции. Заставить магний стать частью какого-либо сплава нелегко. Из-за легкости, он не тонет в других металлах. Из-за «взрывной реакции» на воздух, вспыхивает на поверхности смесей.

Металлургам приходится прессовать капризный металл в брикеты, помещать внутрь них грузила и, только после, опускать в состав для переплавки.

Легковесность магния привлекла и . Они добавляют элемент в драгоценные сплавы, чтобы облегчить изделия. Это весьма кстати, если украшение объемное, внушительных габаритов. Носить на себе неимоверную для ювелирного изделия тяжесть хочет не каждый. Магний приходит на помощь.

Но, если ювелирное дело без магния возможно, то жизнь, нет. Металл магний входит в состав хлоровфилла. Он – часть растительности, вещество, отвечающее за фотосинтез. То есть, без элемента №12 был бы невозможен процесс преобразования углекислого газа в кислород. Атмосфера планеты была бы другой, так что человечество на Земле вряд ли бы появилось, не будь на ней магния.

Этот металл и человеческому сердцу помогает биться, не только за счет поставки ему кислорода. Магний необходим для стабильной работы сердечной мышцы. По статистике, инфаркты происходят, в основном, у людей, в организме которых недостаточно элемента №12. Поэтому, не помешает есть семечки тыквы, отруби, пить какао и чай. В этих продуктах магния больше всего.

Преобладающий промышленный способ получения магния - электролиз расплава смеси MgCl 2

MgCl 2 Mg 2+ 2Cl -

Mg 2+ +2e Mg 0 2Cl - -2e Cl 2 0

2MgCl 2 2Mg+ 2Cl 2

расплава

в безводных MgCl 2 , KCl, NaCl. Для получения расплава исполь­зуют обезвоженный карналлит или бимофит, а также MgCl 2 , полученный хлорированием MgO или как отход при производстве Ti.

Температура электролиза 700-720 о С, аноды графитовые, катоды стальные. Со­держание MgCl 2 в расплаве 5-8 %, при снижении концентрации до 4 % уменьшается выход магния по току, при повышении концентрации MgCl 2 вы­ше 8 % увеличивается расход электроэнергии. Для обеспечения оптимально­го содержания MgCl 2 периодически отбирают часть отработанного электро­лита и добавляют свежий карналлит или MgCl 2 . Жидкий магний всплывает на поверхность электролита, откуда его отбирают вакуумным ковшом. Изв­лекаемый магниевый сырец содержит 0,1% примесей. Для очистки от неме­таллических примесей магний переплавляют с флюсами - хлоридами или фторидами K,Ba,Na,Mg. Глубокую очистку осуществляют перегонкой в вакуу­ме, зонной плавкой, электролитическим рафинированием. В результате по­лучают магний чистотой 99,999 %.

Кроме магния при электролизе получают также Cl 2 . В термических спосо­бах получения магния сырьем служит магнезит или доломит, из которых прокаливанием получают MgO.2Mg+O 2 =2MgO . В реторных или вращающих печах с графитовыми или угольными нагревателями оксид восстанавливают до металла кремнием (силиконотермический способ) или CaC 2 (карбидотермический способ) при 1280-1300 о С, либо углеродом (карботермический способ) при темпратуре выше 2100 о С. 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.

Свойства магния.

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 о С, но в обычных усло­виях расплавить его довольно трудно: нагретый на воздухе до 550 о С он вспыхивает и мгновенно сгорает ослепительно ярким пламенем. По­лоску магниевой фольги легко поджечь обыкновенной спичкой, а в атмос­фере 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 все­го 4 г магния.

Магний расположен в главной подгрупп второй группы периодической сис­темы элементов Д.И. Менделеева. Порядковый номер его - 12, атомный вес - 24,312. Электронная конфигурация атома магния в невозбужденном сос­тоянии 1S 2 2S 2 P 6 3S 2 ; 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 восьми­электронной 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 -2,37в, в щелочной - 2,69в. В разбавленных кислотах магний растворяется уже на холоде. Во фтористо­водородной кислоте нерастворим вследствие образования пленки из труд­норастворимого в воде фторида MgF 2 ; 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 темпера­туру. Магниевые вспышки применяют в фотографии, в изготовлении освети­тельных ракет. Температура кипения магния 1107 о С, плотность = 1,74 г/см 3 , радиус атома 1,60 НМ.

Химические свойства магния.

Химические свойства магния довольно своеобразны. Он легко отнимает кислород и хлор у большинства элементов, не боится едких щелочей, со­ды, 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 о С:

Mg 0 (тв)+H 2 + O(газ) Mg +2 O(тв)+H 2 0 (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

2Mg 0 + C +4 O 2 2Mg +2 O+C 0 ,

Прекратить к горящему магнию доступ кислорода можно засыпав его пес­ком, хотя и с оксидом кремния (IV) магний взаимодействует, но со зна­чительно меньшим выделением теплоты:

2Mg 0 + Si +4 O 2 =2Mg +2 O+Si 0

этим и определяется возможность использования песка для тушения крем­ния. Опасность возгорания магния при интенсивном нагреве одна из при­чин, по которым его использование как технического материала ограниче­на.

В электрохимическом ряду напряжений магний стоит значительно левее во­дорода 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 HNO 3). Устойчивость магния к растворе­нию во фтороводородной кислоте объясняется просто: поверхность магния покрывается нерастворимой во фтороводородной кислоте пленкой фторида магния MgF 2 . 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 происхо­дит:

2NH + 4 +Mg=Mg 2+ + 2NH 3 + H 2

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

NH 4 + NH 3 +H +

Mg 0 + 2HCl=Mg +2 Cl 2 +H 0 2

2H + +Mg Mg 2+ + H 0 2

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

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 (Mg 3 N 2). При повышенном давлении и нагревании с водородом магний обра­зует гидрид магния

Mg 0 + H 2 0 Mg +2 H 2 - .

Большое сродство магния к хлору позволило создать новое металлургичес­кое производство - "магниетермию" - получение металлов в результате реакции

MeCln+0,5nMg=Me+0,5nMgCl 2

этим методом получают металлы, играющие очень важную роль в современ­ной технике - цирконий, хром, торий, бериллий. Легкий и прочный "ме­талл космической эры" - титан практически весь получают таким способом.

Сущность производства сводится к следующему: при получении металли­ческого магния электролизом расплава хлорида магния в качестве побоч­ного продукта образуется хлор. Этот хлор используют для получения хло­рида титана (IV) TiCl 4 , который магнием восстанавливается до металли­ческого титана

Ti +4 Cl 4 + 2Mg 0 Ti 0 +2Mg +2 Cl 2

Образовавшийся хлорид магния вновь используется для производства маг­ния и т.д. На основе этих реакций работают титаномагниевые комбинаты. Попутно с титаном и магнием получают при этом и другие продукты, та­кие, как бертолетову соль KClO 3 , 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 окру­жающей среды от загрязнений.

Магний – лёгкий серебристо-белый металл, блестящий, но тускнеющий на воздухе из-за образования защитной оксидной плёнки на его поверхности. Химическая формула магния – Mg. 12 - атомный номер магния в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева.

Магний довольно распространён в земной коре. Опережают магний в этом плане только кислород, кремний, алюминий, железо и кальций. В природе он встречается в виде соединений. Важнейшие минералы, содержащие магний – магнезит MgCO 3 и двойная соль доломит CaMg 2 . Огромные запасы магния содержатся в морях и океанах в виде MgCl 2 . Науке известно около 1500 минералов. И почти 200 из них содержат магний.

Получение магния

Как же был открыт магний?

В 1695 г. английский врач Крю проводил анализы минеральной воды из источника поблизости города Эпсом. При упаривании этой воды на стенках сосуда образовалась белая соль c горьким вкусом. Эта соль обладала лечебными свойствами. Аптекари называли эту соль английской или эпсонской. Позже соль получила название белой магнезии из-за своего сходства с белым порошком, который получали, прокаливая минерал, обнаруженный вблизи греческого города Магнезии.

Металл магний впервые удалось получить в 1808 г. британскому химику Хемфри Дэви. Дэви подвергал электролизу смесь белой магнезии и окиси ртути. В результате он получил сплав ртути и неизвестного металла. Выделив металл, Дэви предложил назвать его магнием. Но магний, полученный Дэви, содержал примеси. Чистый, без примесей, магний удалось получить только в 1829 г. французскому химику Антуану Бюсси.

Химические свойства магния

Магний – активный металл. И как все активные металлы, он хорошо горит. В обычных условиях его поверхность защищена оксидной плёнкой. Но при нагревании до 600 градусов плёнка разрушается, и магний реагирует с кислородом. Продукт горения магния – оксид магния, белый порошок.

2Mg + O 2 = 2MgO

При горении выделяется много тепла и света. Причём по своему спектральному анализу свет при горении магния почти такой же, как солнечный свет. Это свойство использовали первые фотографы более 100 лет назад. Горение магниевого порошка с добавками перманганата калия или нитрата бария освещало объект фотографирования, что позволяло делать чёткие снимки в закрытом помещении, где освещение было недостаточным.

Магний вступает в реакцию с водой только при нагревании. В результате этой реакции выделяется водород.

Mg + 2H 2 O = Mg(OH) 2 + H 2

Горит магний и в среде углекислого газа.

2Mg + C O 2 = 2MgO + C

С галогенами магний взаимодействует при комнатной температуре.

Mg + Br 2 = MgBr 2

С серой магний вступает в реакцию только при нагревании, образуя сульфид магния.

Mg + S = MgS

В реакцию со щелочами магний не вступает.

Получение магния

Металлический магний получают электротермическим или электролитическим способом.

В первом случае магнезит или доломит, находящиеся в реакционном аппарате, прокаливают. В результате получают окись магния MgO. Затем окись магния восстанавливается алюминием, кремнием или углем. Так получают чистый магний.

Но основным промышленным способом получения магния является электролитический. В специальных ваннах-электролизёрах находится расплав хлорида магния MgCl2. В результате электролиза на железном катоде выделяется магний, а на графитовом аноде собираются ионы хлора. Расплавленный магний собирают и разливают по формам. Затем магний проходит очистку от примесей.

Применение магния

Способность магния легко взаимодействовать с кислородом позволяет использовать его в производстве стали для удаления кислорода, растворённого в расплавленных металлах. Магниевый порошок применяется в ракетостроении как высококалорийное горючее. Высокоочищенный магний используют в производстве полупроводников.

Магний – самый лёгкий из металлов. Он в четыре раза легче железа и в полтора раза легче алюминия. В чистом виде магний мягкий и непрочный. Из него нельзя делать технические конструкции. Но механическая прочность магния значительно повышается, если в него добавить цинк, алюминий или марганец. Добавки вводят в небольшом количестве, чтобы не увеличить удельный вес магния. К сожалению, эти сплавы при нагревании теряют свою прочность. Но если к ним добавить цинк, медь, серебро, бериллий, торий, цирконий, титан, то они сохраняют свою механическую прочность даже при повышении температуры. Корпуса из магниевых сплавов можно обнаружить в мобильных телефонах, видеокамерах, ноутбуках. Кроме того, детали из магниевых сплавов поглощают вибрацию в 100 раз лучше алюминия и в 20 раз лучше легированной стали. Поэтому их широко применяют в авиации, автомобилестроении и других областях техники.

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.

+12 Mg))) 1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 0 –электронная формула нормального атома 282

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

3S 2 -валентные электроны

1S 2 2S 2 2P 6 3S 1 3P 1

- электронная формула возбуждённого атома +12 Mg +P 12 ,n 0 12 e12

Строение внешней электронной оболочки магния, обладающей структурой 3S 2 , с двумя слабо связанными электронами объясняет восстановительный характер типичных реакций, в которых магний переходит в двухвалентный катион Mg 2+ . 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, предох­раняющая от окисления. При нагревании химическая активность магния воз­растает. Считается, что верхний температурный предел устойчивости магния в кислороде находится в интервале 350-400 о С. Кипящую воду магний разлагает с выделением водорода.

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

Разрушающее действие оказывает на магний морская и минеральная вода, водные растворы соля­ной, серной, азотной, фосфорной, кремнефтористоводородной кислот, вод­ные растворы галоидных солей, сернистых соединений, аммиак и его вод­ные 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. Ви­ноградову, сотавляет 2,10%. В природе магний встречается исключительно в виде соединений и входит в состав многих минералов: карбонатов, си­ликатов и др. Важнейшими являются следующие из них: магнезит MgCO 3 , доломит MgCO 3 *CaCO 3 , карналлит MgCl 2 *KCL*6H 2 O, бруцит Mg(OH) 2 , кизерит MgSO 4 , эпсонит MgSO 4 *7H 2 O, каинит MgSO 4 *KCl*3H 2 O, оливин (Mg,Fe) 2 , серпентин H 4 Mg 3 Si 2 O 9 .

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

В реакциях магний практически всегда проявляет степень окисления +2 (валентность II). Для того, чтобы перевести атом магния из состояния 3S 2 в реакционноспособное состояние 3S 1 3P 1 , 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 MgCl 2

MgCl 2 Mg 2+ 2Cl - К -) А +)
Mg 2+ +2 e Mg 0 2Cl - -2 e Cl 2 0