Магний и его свойства

Кристалическая структура:
гексагональная

Магний (лат. magnesium), mg, химический элемент ii группы периодической системы Менделеева, атомный номер 12, атомная масса 24,305. Природный М. состоит из трёх стабильных изотопов: 24 mg (78,60% ), 25 mg (10,11%) и 26 mg (11,29%). М. открыт в 1808 Г. Дэви , который подверг электролизу с ртутным катодом увлажнённую магнезию (давно известное вещество); Дэви получил амальгаму, а из неё после отгонки ртути — новый порошкообразный металл, названный магнием. В 1828 французский химик А. Бюсси восстановлением расплавленного хлорида М. парами калия получил М. в виде небольших шариков с металлическим блеском.

Распространение в природе. М. — характерный элемент мантии Земли, в ультраосновных породах его содержится 25,9% по массе. В земной коре М. меньше, средний кларк его 1,87%; преобладает М. в основных породах (4,5%), в гранитах и других кислых породах его меньше (0,56%).

В магматических процессах mg 2+ — аналог fe 2+ , что объясняется близостью их ионных радиусов (соответственно 0,74 и 0,80 å). mg 2+ вместе с fe 2+ входит в состав оливина, пироксенов и других магматических минералов.

Минералы М. многочисленны — силикаты, карбонаты, сульфаты, хлориды и другие. Более половины из них образовались в биосфере — на дне морей, озёр, в почвах и т. д.; остальные связаны с высокотемпературными процессами.

В биосфере наблюдается энергичная миграция и дифференциация М.; здесь главная роль принадлежит физико-химическим процессам — растворению, осаждению солей, сорбции М. глинами. М. слабо задерживается в биологическом круговороте на континентах и с речным стоком поступает в океан. В морской воде в среднем 0,13% М. — меньше, чем натрия, но больше всех других металлов. Морская вода не насыщена М. и осаждения его солей не происходит. При испарении воды в морских лагунах в осадках вместе с солями калия накапливаются сульфаты и хлориды М. В илах некоторых озёр накапливается доломит (например, в озере Балхаш). В промышленности М. получают в основном из доломитов, а также из морской воды.

Физические и химические свойства. Компактный М. — блестящий серебристо-белый металл, тускнеющий на воздухе вследствие образования на поверхности окисной плёнки. М. кристаллизуется в гексагональной решётке, а = 3,2028 å, с = 5,1998 å. Атомный радиус 1,60 å, ионный радиус mg 2+ 0,74 å. Плотность М. 1,739 г/см 3 (20 °С); t пл 651 °С; t kип 1107 °С. Удельная теплоёмкость (при 20 °С) 1,04?10 3 дж/(кг · К) , то есть 0,248 кал/(г · °С) ; теплопроводность (20 °С) 1,55?10 2 вт/(м · К) , то есть 0,37 кал/(см · сек · °С) ; термический коэффициент линейного расширения в интервале 0—550 °С определяется из уравнения 25,0?10 -6 + 0,0188 t . Удельное электрическое сопротивление (20 °С) 4,5?10 -8 ом · м (4,5 мком · см ) . М. парамагнитен, удельная магнитная восприимчивость + 0,5?10 -6 , М. — относительно мягкий и пластичный металл; его механические свойства сильно зависят от способа обработки. Например, при 20 °С свойства соответственно литого и деформированного М. характеризуются следующими величинами: твёрдость по Бринеллю 29,43?10 7 и 35,32? 10 7 н/м 2 (30 и 36 кгс/мм 2 ) , предел текучести 2,45?10 7 и 8,83?10 7 н/м 7 (2,5 и 9,0 кгс/мм 2 ) , предел прочности 11,28?10 7 и 19,62?10 7 н/м 2 (11,5 и 20,0 кгс/мм 2 ) , относительное удлинение 8,0 и 11,5%.

Конфигурация внешних электронов атома М. 3s 2 . Во всех стабильных соединениях М. двухвалентен. В химияеском отношении М. — весьма активный металл. Нагревание до 300—350 °c не приводит к значительному окислению компактного М., так как поверхность его защищена окисной плёнкой, но при 600—650 °c М. воспламеняется и ярко горит, давая магния окись и отчасти нитрид mg 3 n 2 . Последний получается и при нагревании М. около 500 °С в атмосфере азота. С холодной водой, не насыщенной воздухом, М. почти не реагирует, из кипящей медленно вытесняет водород; реакция с водяным паром начинается при 400 °c. Расплавленный М. во влажной атмосфере, выделяя из h 2 o водород, поглощает его; при застывании металла водород почти полностью удаляется. В атмосфере водорода М. при 400—500 °c образует mgh 3 .

М. вытесняет большинство металлов из водных растворов их солей; стандартный электродный потенциал mg при 25 °С — 2,38 в. С разбавленными минеральными кислотами М. взаимодействует на холоду, но в плавиковой кислоте не растворяется вследствие образования защитной плёнки из нерастворимого фторида mgf 2 . В концентрированной h 2 so 4 и смеси её с hno 3 М. практически нерастворим. С водными растворами щелочей на холоду М. не взаимодействует, но растворяется в растворах гидрокарбонатов щелочных металлов и солей аммония. Едкие щёлочи осаждают из растворов солей М. гидроокись mg(oh) 2 , растворимость которой в воде ничтожна. Большинство солей М. хорошо растворимо в воде, например магния сульфат ; мало растворимы mgf 2 , mgco 3, mg 3 (po 4 ) 2 и некоторые двойные соли.

При нагревании М. реагирует с галогенами, давая галогениды; с влажным хлором уже на холоду образуется mgcl 2 . При нагревании М. до 500—600 °С с серой или с so 2 и h 2 s может быть получен сульфид mgs, с углеводородами — карбиды mgc 2 и mg 2 c 3 . Известны также силициды mg 2 si, mg 3 si 2 , фосфид mg3p 2 и другие бинарные соединения. М. — сильный восстановитель; при нагревании вытесняет другие металлы (be, al, щелочные) и неметаллы (В, si, С) из их окислов и галогенидов. М. образует многочисленные металлоорганические соединения, определяющие его большую роль в органическом синтезе. М. сплавляется с большинством металлов и является основой многих технически важных лёгких сплавов.

Получение и применение. В промышленности наибольшее количество М. получают электролизом безводного хлорида mgcl 2 или обезвоженного карналлита kcl?mgcl 2 ?6h 2 o. В состав электролита входят также хлориды na, К, Са и небольшое количество naf или caf 2 . Содержание mgcl 2 в расплаве — не менее 5—7%; по мере хода электролиза, протекающего при 720—750 °С, проводят корректировку состава ванны, удаляя часть электролита и добавляя mgcl 2 или карналлит. Катоды изготовляют из стали, аноды — из графита. Расплавленный М., всплывающий на поверхность электролита, периодически извлекается из катодного пространства, отделённого от анодного перегородкой, не доходящей до дна ванны. В состав чернового М. входят до 2% примесей; его рафинируют в тигельных электрических печах под слоем флюсов и разливают в изложницы. Лучшие сорта первичного М. содержат 99,8% mg. Последующая очистка М. проводится сублимацией в вакууме: 2—3 сублимации повышают чистоту М. до 99,999%. Анодный хлор после очистки используется для получения безводного mgcl 2 из магнезита , тетрахлорида титана ticl 4 из двухокиси tio 2 и других соединений.

Другие способы получения М. — металлотермический и углетермический. По первому брикеты из прокалённого до полного разложения доломита и восстановителя (ферросилиция или силикоалюминия) нагревают при 1280—1300 °С в вакууме (остаточное давление 130—260 н/м 2 , то есть 1—2 мм рт. ст. ) . Пары М. конденсируют при 400—500 °С. Для очистки его переплавляют под флюсом или в вакууме, после чего разливают в изложницы. По углетермическому способу брикеты из смеси угля с окисью М. нагревают в электропечах выше 2100 °С; пары М. отгоняют и конденсируют.

Важнейшая область применения металлического М. — производство сплавов на его основе. Широко применяют М. в металлотермических процессах получения трудновосстанавливаемых и редких металлов (ti, zr, hf, u и других), используют М. для раскисления и десульфурации металлов и сплавов. Смеси порошка М. с окислителями служат как осветительные и зажигательные составы. Широкое применение находят соединения М.

Лит.: Стрелец Х. Л., Тайц А. Ю., Гуляницкий Б. С., Металлургия магния, 2 изд., М., 1960; ulbmann encykiop a die der technischen chemie, 3 aufl., bd 12, m u nch. — В., 1960.

В. Е. Плющев.

Магний в организме. М. — постоянная часть растительных и животных организмов (в тысячных — сотых долях процента).

Концентраторами М. являются некоторые водоросли, накапливающие до 3% М. (в золе), некоторые фораминиферы — до 3,5%, известковые губки — до 4%. М. входит в состав зелёного пигмента растений — хлорофилла (в общей массе хлорофилла растений Земли содержится около 100 млрд. т М.), а также обнаружен во всех клеточных органеллах растений и рибосомах всех живых организмов. М. активирует многие ферменты, вместе с кальцием и марганцем обеспечивает стабильность структуры хромосом и коллоидных систем в растениях, участвует в поддержании тургорного давления в клетках. М. стимулирует поступление фосфора из почвы и его усвоение растениями, в виде соли фосфорной кислоты входит в состав фитина . Недостаток М. в почвах вызывает у растений мраморность листа, хлороз растений (в подобных случаях используют магниевые удобрения ). Животные и человек получают М. с пищей. Суточная потребность человека в М. — 0,3—0,5 г ; в детском возрасте, а также при беременности и лактации эта потребность выше. Нормальное содержание М. в крови — примерно 4,3 мг% ; при повышенном содержании наблюдаются сонливость, потеря чувствительности, иногда паралич скелетных мышц. В организме М. накапливается в печени, затем значительная его часть переходит в кости и мышцы. В мышцах М. участвует в активировании процессов анаэробного обмена углеводов. Антагонистом М. в организме является кальций. Нарушение магниево-кальциевого равновесия наблюдается при рахите, когда М. из крови переходит в кости, вытесняя из них кальций. Недостаток в пище солей М. нарушает нормальную возбудимость нервной системы, сокращение мышц. Крупный рогатый скот при недостатке М. в кормах заболевает так называемой травяной тетанией (мышечные подёргивания, остановка роста конечностей). Обмен М. у животных регулируется гормоном паращитовидных желёз, понижающим содержание М. в крови, и проланом, повышающим содержание М. Из препаратов М. в медицинской практике применяют: сульфат М. (как успокаивающее, противосудорожное, спазмолитическое, слабительное и желчегонное средство), магнезию жжёную ( магния окись ) и карбонат М. (как щёлочи, лёгкое слабительное).

Г. Я. Жизневская.

cкачать реферат по теме: «Магний».

Назад

Магний

Распространение в природе

Физические свойства

Химические свойства

Получение

Применение

Магний в организме

Магний (лат. Magnesium), Mg, химический элемент II группы периодической системы Менделеева, атомный номер 12, атомная масса 24,305. Природный Магний состоит из трех стабильных изотопов: 24Mg (78,60%), 25Mg (10,11%) и 26Mg (11,29%). Магний открыт в 1808 году Г. Дэви, который подверг электролизу с ртутным катодом увлажненную магнезию (давно известное вещество); Дэви получил амальгаму, а из нее после отгонки ртути — новый порошкообразный металл, названный магнием. В 1828 году французский химик А. Бюсси восстановлением расплавленного хлорида Магния парами калия получил Магний в виде небольших шариков с металлическим блеском.

Распространение Магния в природе. Магний — характерный элемент мантии Земли, в ультраосновных породах его содержится 25,9% по массе. В земной коре Магния меньше, средний кларк его 1,87%; преобладает Магний в основных породах (4,5%), в гранитах и других кислых породах его меньше (0,56%). В магматических процессах Mg2+ — аналог Fe2+, что объясняется близостью их ионных радиусов (соответственно 0,74 и 0,80 Å). Mg2+ вместе с Fe2+ входит в состав оливина, пироксенов и других магматических минералов.

Минералы Магния многочисленны — силикаты, карбонаты, сульфаты, хлориды и другие. Более половины из них образовались в биосфере — на дне морей, озер, в почвах и т. д.; остальные связаны с высокотемпературными процессами.

В биосфере наблюдается энергичная миграция и дифференциация Магния; здесь главная роль принадлежит физико-химическим процессам — растворению, осаждению солей, сорбции Магний глинами. Магний слабо задерживается в биологическом круговороте на континентах и с речным стоком поступает в океан. В морской воде в среднем 0,13% Магния — меньше, чем натрия, но больше всех других металлов. Морская вода не насыщена Магнием и осаждения его солей не происходит. При испарении воды в морских лагунах в осадках вместе с солями калия накапливаются сульфаты и хлориды Магния. В илах некоторых озер накапливается доломит (например, в озере Балхаш). В промышленности Магний получают в основном из доломитов, а также из морской воды.

Физические свойства Магния. Компактный Магний — блестящий серебристо-белый металл, тускнеющий на воздухе вследствие образования на поверхности окисной пленки. Магний кристаллизуется в гексагональной решетке, а = 3,2028Å, с = 5,1998Å. Атомный радиус 1,60Å, ионный радиус Mg2+ 0,74Å. Плотность Магния 1,739 г/см3 (20 °С); tпл 651 °С; tкип 1107 °С. Удельная теплоемкость (при 20 °С) 1,04·103 дж/(кг·К), то есть 0,248 кал/(г·°С); теплопроводность (20 °С) 1,55·102 вт/(м·К), то есть 0,37 кал/(см·сек·°С); термический коэффициент линейного расширения в интервале 0-550 °С определяется из уравнения 25,0·10-6 + 0,0188 t. Удельное электрическое сопротивление (20 °С) 4,5·10-8 ом·м (4,5 мком·см). Магний парамагнитен, удельная магнитная восприимчивость +0,5·10-6, Магний — относительно мягкий и пластичный металл; его механические свойства сильно зависят от способа обработки. Например, при 20 °С свойства соответственно литого и деформированного Магния характеризуются следующими величинами: твердость по Бринеллю 29,43·107 и 35,32·107 н/м2(30 и 36 кгс/мм2), предел текучести 2,45·107 и 8,83·107 н/м2 (2,5 и 9,0 кгс/мм2), предел прочности 11,28·107 и 19,62·107 н/м2(11,5 и 20,0 кгс/мм2), относительное удлинение 8,0 и 11,5%.

Химические свойства Магния. Конфигурация внешних электронов атома Магния 3s2. Во всех стабильных соединениях Магний двухвалентен. В химическом отношении Магний — весьма активный металл. Нагревание до 300-350 °С не приводит к значительному окислению компактного Магния, так как поверхность его защищена оксидной пленкой, но при 600-650 °С Магний воспламеняется и ярко горит, давая оксид магния и отчасти нитрид Mg3N2. Последний получается и при нагревании Магния около 500 °С в атмосфере азота. С холодной водой, не насыщенной воздухом, Магний почти не реагирует, из кипящей медленно вытесняет водород; реакция с водяным паром начинается при 400 °С. Расплавленный Магний во влажной атмосфере, выделяя из Н2О водород, поглощает его; при застывании металла водород почти полностью удаляется. В атмосфере водорода Магний при 400-500 °С образует MgH2.

Магний вытесняет большинство металлов из водных растворов их солей; стандартный электродный потенциал Mg при 25 °С — 2,38 в. С разбавленными минеральными кислотами Магний взаимодействует на холоду, но в плавиковой кислоте не растворяется вследствие образования защитной пленки из нерастворимого фторида MgF2. В концентрированной H2SО4 и смеси ее с НNО3 Магний практически нерастворим. С водными растворами щелочей на холоду Магний не взаимодействует, но растворяется в растворах гидрокарбонатов щелочных металлов и солей аммония. Едкие щелочи осаждают из растворов солей гидрооксид Магния Mg(OH)2, растворимость которой в воде ничтожна. Большинство солей Магния хорошо растворимо в воде, например сульфат магния, мало растворимы MgF2, MgCО3, Mg3(PO4)2 и некоторые двойные соли.

При нагревании Магний реагирует с галогенами, давая галогениды; с влажным хлором уже на холоду образуется MgCl2. При нагревании Магний до 500-600 °С с серой или с SO2 и H2S может быть получен сульфид MgS, с углеводородами — карбиды MgC2 и Mg2C3. Известны также силициды Mg2Si, Mg3Si2, фосфид Mg3P2 и других бинарные соединения. Магний — сильный восстановитель; при нагревании вытесняет другие металлы (Be, Al, щелочные) и неметаллы (В, Si, С) из их оксидов и галогенидов. Магний образует многочисленные металлоорганические соединения, определяющие его большую роль в органических синтезе. Магний сплавляется с большинством металлов и является основой многих технически важных легких сплавов.

Получение Магния. В промышленности наибольшее количество Магния получают электролизом безводного хлорида MgCl2 или обезвоженного карналлита KCl·MgCl2·6H2O. В состав электролита входят также хлориды Na, К, Са и небольшое количество NaF или CaF2. Содержание MgCl2 в расплаве — не менее 5-7%; по мере хода электролиза, протекающего при 720-750 °С, проводят корректировку состава ванны, удаляя часть электролита и добавляя MgCl2 или карналлит. Катоды изготовляют из стали, аноды — из графита. Расплавленный Магний, всплывающий на поверхность электролита, периодически извлекается из катодного пространства, отделенного от анодного перегородкой, не доходящей до дна ванны. В состав чернового Магния входят до 2% примесей; его рафинируют в тигельных электрических печах под слоем флюсов и разливают в изложницы. Лучшие сорта первичного Магния содержат 99,8% Mg. Последующая очистка Магния проводится сублимацией в вакууме: 2-3 сублимации повышают чистоту Магний до 99,999%. Анодный хлор после очистки используется для получения безводного MgCl2 из магнезита, тетрахлорида титана TiCl4 из оксида ТiO2 и других соединений.

Другие способы получения Магния — металлотермический и углетермический. По первому брикеты из прокаленного до полного разложения доломита и восстановителя (ферросилиция или силикоалюминия) нагревают при 1280-1300°С в вакууме (остаточное давление 130-260 н/м2, т.е. 1-2 мм рт.ст.). Пары Магния конденсируют при 400-500 °С. Для очистки его переплавляют под флюсом или в вакууме, после чего разливают в изложницы. По углетермическому способу брикеты из смеси угля с окисью Магний нагревают в электропечах выше 2100 °С; пары Магния отгоняют и конденсируют.

Применение Магния. Важнейшая область применения металлического Магния — производство сплавов на его основе. Широко применяют Магний в металлотермических процессах получения трудновосстанавливаемых и редких металлов (Ti, Zr, Hf, U и других), используют Магний для раскисления и десульфурации металлов и сплавов. Смеси порошка Магния с окислителями служат как осветительные и зажигательные составы. Широкое применение находят соединения Магния.

Магний в организме. Магний — постоянная часть растительных и животных организмов (в тысячных — сотых долях процента). Концентраторами Магния являются некоторые водоросли, накапливающие до 3% Магний (в золе), некоторые фораминиферы — до 3,5%, известковые губки — до 4% . Магний входит в состав зеленого пигмента растений — хлорофилла (в общей массе хлорофилла растений Земли содержится около 100 млрд. т Магний), а также обнаружен во всех клеточных органеллах растений и рибосомах всех живых организмов. Магний активирует многие ферменты, вместе с кальцием и марганцем обеспечивает стабильность структуры хромосом и коллоидных систем в растениях, участвует в поддержании тургорного давления в клетках. Магний стимулирует поступление фосфора из почвы и его усвоение растениями, в виде соли фосфорной кислоты входит в состав фитина. Недостаток Магния в почвах вызывает у растений мраморность листа, хлороз растений (в подобных случаях используют магниевые удобрения). Животные и человек получают Магний с пищей. Суточная потребность человека в Магнии — 0,3-0,5 г; в детском возрасте, а также при беременности и лактации эта потребность выше. Нормальное содержание Магния в крови — примерно 4,3 мг%; при повышенном содержании наблюдаются сонливость, потеря чувствительности, иногда паралич скелетных мышц. В организме Магний накапливается в печени, затем значительная его часть переходит в кости и мышцы. В мышцах Магний участвует в активировании процессов анаэробного обмена углеводов. Антагонистом Магния в организме является кальций. Нарушение магниево-кальциевого равновесия наблюдается при рахите, когда Магний из крови переходит в кости, вытесняя из них кальций. Недостаток в пище солей Магния нарушает нормальную возбудимость нервной системы, сокращение мышц. Крупный рогатый скот при недостатке Магния в кормах заболевает так называемой травяной тетанией (мышечные подергивания, остановка роста конечностей). Обмен Магния у животных регулируется гормоном паращитовидных желез, понижающим содержание Магний в крови, и проланом, повышающим содержание Магния. Из препаратов Магния в медицинской практике применяют: сульфат Магния (как успокаивающее, противосудорожное, спазмолитическое, слабительное и желчегонное средство), магнезию жженую (магния оксид) и карбонат Магния (как щелочи, легкое слабительное).

Второй заряд «–» не может появиться на атоме кислорода потому, что кислород не в состоянии оттянуть электроны от своего соседа – точно такого же атома кислорода. Вывод: степень окисления кислорода в этом соединении составляет –1 (хотя его валентность по-прежнему II). Степень окисления водорода составляет +1.

Степень окисления и валентность несут разную информацию об атоме в его соединениях.

Валентность просто характеризует способность атома образовывать некоторое количество химических связей, а степень окисления описывает смещения электронов при образовании химических связей.

Итак, уточним определение степени окисления с учетом всего того, что было сказано о ковалентных соединениях:

СТЕПЕНЬ ОКИСЛЕНИЯ выражают числом частично или полностью смещенных электронов от одного атома к другому в их соединении.

Если атом отдал электроны, его степени окисления приписывается знак “+”, а если атом принял электроны, то знак “–”. Возможна и нулевая степень окисления атома в молекуле, если электроны никуда не смещались или число отданных и принятых электронов одинаково.

Степень окисления

– очень важная величина, относящаяся к основным понятиям химии. Фактически, степень окисления описывает состояние атома в соединении.

Есть несколько полезных правил, которые касаются степеней окисления:

1) Степень окисления атома любого элемента в свободном состоянии равна нулю.

Это связано с тем, что в чисто ковалентных двухатомных молекулах электроны не смещены ни к одному из атомов. Если вещество находится в атомном состоянии, то степень окисления его атомов также равна нулю. Примеры молекул, где степени окисления атомов равны нулю: H2, Fe, F2, Na, O2, N2, Ar.

2) Степень окисления любого простого одноатомного иона равна его заряду. Примеры:

H+ (+1),

Fe3+ (+3),

F– (-1),

Na+ (+1).

3) Степень окисления водорода в его соединениях с другими элементами равна +1.

Примеры молекул, где водород имеет степень окисления +1: H2O, NH3, CH4, HF, HCl. Исключение составляют довольно редкие соединения — гидриды металлов (например, LiH), в которых степень окисления водорода равна –1, потому что электроотрицательность металлов меньше, чем у водорода.

4) Степень окисления кислорода равна -2 во всех соединениях, где кислород не образует простой ковалентной связи О—О.

Примеры молекул, где кислород имеет степень окисления –2 (таких соединений кислорода – подавляющее большинство): H2O, SO2, SO3, NO2

5) Алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов в формуле нейтрального соединения всегда равна нулю.

6) Если в ходе химической реакции степень окисления атома повышается, то говорят, что он ОКИСЛЯЕТСЯ. Если же степень окисления понижается, то говорят, что он ВОССТАНАВЛИВАЕТСЯ.

Эти правила полезны во многих случаях. Посмотрите, например, как c их помощью легко определяется степень окисления элемента с переменной (или неизвестной) валентностью по молекулярной формуле. Допустим, имеется соединение H2SO3. Спрашивается, какова степень окисления серы? Поскольку степень окисления водорода всегда (+1), а степень окисления кислорода (–2), то нетрудно подсчитать, что положительные и отрицательные степени окисления «уравновесят» друг друга в молекуле H2SO3 тогда, когда степень окисления серы составит (+4). В этом случае алгебраическая сумма всех степеней окисления в молекуле равна нулю:

Действие этого правила можно показать и на примере реакции серы с кислородом, в которой электроны формально переходят от одного атома к другому:

До реакции сера и кислород имели одинаковую – нулевую степень окисления. В результате реакции степень окисления серы повысилась (+4). Значит, сера окислилась.

Степень окисления кислорода понизилась (-2), то есть кислород восстановился. Алгебраическая сумма всех степеней окисления в SO2 осталась равной нулю.

Подобных реакций с изменением степеней окисления реагирующих атомов – огромное множество. Все вместе они называются окислительно-восстановительными реакциями.

В последующих главах мы рассмотрим эти реакции подробнее, а пока еще раз разберемся в новых терминах.

Просто так трудно запомнить, какой процесс – отдачи или захвата электронов – называется окислением, а какой – восстановлением. Какой атом приобретает отрицательную, а какой – положительную степень окисления.

Рис. 3-11. Не совсем обычная запись уравнения химической реакции: Na + Cl = NaCl (см. текст). Хлор – «отрицательный», он отбирает чужие электроны. Натрий «окислился» – это заметно по его кислой физиономии.

Кому-то из вас поможет рис. 3-11, который рассказывает о реакции между натрием и хлором так, как будто это случилось в «химическом детском саду». В этом “детском саду” порядки такие же, как и в обычном. У Хлора целых 7 игрушек (электронов). Натрию же достался только грузовичок (1 электрон). Тут Хлор увидел у Натрия грузовичок и решил, что именно этой игрушки ему и не хватает! Хлор посильнее, поэтому грузовичок мгновенно оказался у него. А чтобы Натрий не ябедничал (у него такой окислившийся вид!), Хлор предложил поиграть вместе. Какое там! Конечно же, все 8 игрушек Хлор подтащил поближе к себе, а Натрию только и остается, что стоять рядом с “окисленным” видом.

Итак, какова мораль? Хлор, конечно, отрицательный. Он отобрал чужую игрушку-электрон. Теперь у него отрицательная степень окисления. Натрий, безусловно, окислился — вон какой у него “кислый” вид. Но и от Хлора не отходит — игрушек-то больше нет! Чем не картина образования химической связи в типичной окислительно-восстановительной реакции?

Остается только добавить, что восстанавливается в таких реакциях окислитель, а окисляется – восстановитель. В нашей истории хлор – окислитель, а натрий – восстановитель.

Точно так же реагирует с хлором-окислителем металлический калий (востановитель). У калия еще легче «отобрать» электрон, чем у натрия, поскольку его внешняя электронная оболочка находится дальше от ядра. Реакция протекает с выделением белого «дыма» — кристаллов соли KCl (посмотрите видеоопыт из «Единой коллекции цифровых образовательных ресурсов»).

Задачи.

3.25. Пользуясь таблицей электроотрицательностей элементов и правилами для определения степеней окисления, определите степени окисления всех атомов в следующих молекулах: HClO4, HClO3, HClO2, HClO, HCl, Cl2, NH3, PH3, H3PO4, O2, O3.

Магний — серебристо-белый металлический и химический элемент, представленный символом Mg. Магний является девятым по распространенности элементом во Вселенной и восьмым наиболее распространенным элементом в земной коре. Данный металл найден в более чем 60 полезных ископаемых, но только 6 из них важны с экономической точки зрения.
Свойства магния подобны его родственному металлу, алюминию. Он не только обладает самой низкой плотностью из всех металлических элементов, что делает его самым легким, но также ковкостью и стойкостью к коррозии.
Россия и Китай — две страны с самыми большими запасами магнезитов. По данным Геологической службы США по состоянию на 2012 год Россия обладала запасами в размере 650 млн. тонн, а Китай — 500 млн. тонн. В Китае имеется 27 доказанных месторождений магнезитов, которые, главным образом, распределены в провинциях Ляонинь, Шаньдунь, Синьцзянь, Тибет и Ганьсу. Запасы в Ляонине являются самыми большими и составляют приблизительно 85,6% всех китайских запасов.

Запасы на месторождениях магния в 2012 году, млн.тонн *

Россия 650.0
Китай 500.0
КНДР 450.0
Австралия 95.0
Бразилия 86.0
Прочие страны 619.0
Всего запасы 2,400.0

* данные US Geological Survey

Производство магния характеризуется большим разнообразием методов и значительным рассредоточением производственных мощностей. Это происходит по двух причинам. Во-первых, запасы магния велики в разных уголках Земли, что делает возможным его производство во многих регионах. Во-вторых, спрос на металл очень чувствителен к цене, и чтобы поощрить покупателей приходится постоянно искать месторождения с самой низкой себестоимостью добычи.
Традиционно магний производится из доломита и магнезитной руды, а также из хлорида магния, содержащегося в соленой морской воде (естественные соляные месторождения).
Для того, чтобы извлечь металл из магнезитной руды и доломита, используются электрохимические процессы. Доломит размелчается, спекается и смешивается с морской водой в больших резервуарах, что осадить гидрооксид магния. Далее, при нагревании в присутствии кокса проводится реакция гидрооксида магния с хлором, в результате получается расплав хлорида магния. Расплав хлорида магния подвергается электролизу, в результате чего образуется металлический магний.
Магний также добывают из соленых морских вод, которые содержат приблизительно 10%-ый хлорид магния. Хлорид магния в этих источниках содержит существенное количество воды и должен быть высушен, чтобы получить безводный хлорид магния, прежде, чем подвергнуть его электролизу для производства металла.
Как упомянуто выше, в соленой воде может содержаться очень много магния. Первый металлический магний, извлеченный из морской воды, был произведен компанией Dow Chemicals на заводе FreePort, штат Техас, в 1948 году. Завод FreePort работал до 1998 ujlf, но, теперь, единственный оставшийся производитель магния из морской воды — это компания Dead Sea Magnesium Ltd. (Израиль); совместное предприятие между Israel Chemicals Ltd. и Volkswagen AG.
За последние 20 лет один из наименее эффективных методов производства магния, как ни странно, стал самым распространенным. Процесс Пиджена, разработанный доктором Ллойдом Пидженом, является энергоемким и трудоемким. В этом процессе металлический магний производится из оксида, который в специальной печи восстановливается ферросилицием. Процесс периодический, состоящий из следующих операций: загрузка брикетов в реторту, сборка реторты и конденсатора, нагрев и вакуумирование реторты до заданных величин рабочей температуры и вакуума, выдержка, охлаждение, разборка реторты и извлечение конденсата магния, щелочных металлов и остатков от восстановления. Каждый цикл занимает приблизительно 11 часов, требует ручного заполнения и освобождения реторты и использует приблизительно 11 тонн сырья на каждую тонну произведенного магния.
Причина широкого применения процесса Пиджена состоит в том, что он используется в основном месте производства — богатых углем областях северного и центрального Китая, где труд и энергетические затраты значительно ниже, чем в других регионах. По данным Magnesium.com, в 1992 году Китай произвел только 7388 тонн металлического магния. К 2011 году объем производства, согласно оценкам Геологической службы США (USGS), составлял 660600 тонн или более чем 85% мирового производства.

Помимо Китая магний производят во многих странах, включая Россию, Израиль, Казахстан и Канаду. Однако, согласно данным USGS, ежегодное производство в каждой из этих стран составляет менее чем 40,000 тонн.

Добыча магния в мире, тыс.тонн*

* данные US Geological Survey

Основные области применения магния — это алюминиевые сплавы (36%), литые детали (41%) и как добавка к железу и стали (14%). Литые детали все более и более используются в производстве автомобилей, что снижает вес автомобиля на 33% по сравнению с тем, если бы использовался алюминий. При этом детали из магниевого сплава имеют большую, чем алюминий, пространственную стабильность и лучше поглощают вибрацию, чем алюминий или сталь. Химические соединения магния используется в фармацевтических препаратах, духах и пиротехнике.
Из-за общих свойств с алюминием магний может использоваться во многих, если вообще не во всех областях потребления «крылатого металла». Однако использование магния все еще ограничена затратами на его производство, которые делают металл приблизительно на 20% дороже, чем алюминий. С учетом импортных пошлин, установленных в США на произведенный китайцами магний, стоимость магния в данной стране может и вовсе вдвое превосходить стоимость алюминия.
Более чем половина всего магния используется в сплавах с алюминием, которые ценятся за их прочность, легкость и огнестойкость, и широко используются в автомобильных деталях.

Фактически, различные автопроизводители используют алюминий магниевые сплавы для производства рулевых механизмов, приборных панелей, педалей, коробок передач и корзин сцепления.
Высокая прочность и устойчивость к коррозии важны в космической промышленности, а также в вертолетах и коробках передач гоночных автомобилей, многие из которых полагаются на сплавы магния.
Небольшое количество магния используется в алюминиевом сплаве для производства пивных банок. Несмотря на использование только небольшого количества магния в банке, эта промышленность — все еще крупнейший потребитель металла.
Сплавы магния также используются в других отраслях промышленности, где легкий вес крайне важен, например, в цепных пилах и частях оборудования, и в спортивных товарах, таких как бейсбольные биты и рыболовные принадлежности.
Металлический магний может использоваться в качестве десульферизера в железе и при производстве стали, как деоксидизер в производстве титана, циркония и гафния, и как нодуларизер в производстве чугуна.
Магний используется в резервуарах для хранения химических веществ, трубопроводах и судах, в производстве зажигательных бомб и фейерверка.
В 2012 году мировой спроса на магний достиг 854000 тонн, что на 2,8% больше, чем в 2011 году, из которых, потребление магния для производства сплавов с алюминием составило около 280000 тонн (рост на 14% в годовом исчислении), а потребление магния в деталях автомобилей достигло 210,000 тонн (рост на 10%).

Потребление магния в мире, тыс.тонн*

год 2008 2009 2010 2011 2012
Китай 188.0 196.0 260.0 305.0 348.0
Таможенный союз 15.0 7.0 13.0 18.0 19.0
Япония 46.0 28.0 40.0 41.0 32.0
Канада 47.0 24.0 47.0 48.0 51.0
Европейский союз 174.0 101.0 165.0 158.0 150.0
США 119.0 52.0 88.0 87.0 92.0
Прочие страны 118.0 127.0 146.0 174.0 162.0
Всего 707.0 535.0 759.0 831.0 854.0

* данные ОАО «Соликамский магниевый завод»

В период с 1996 и 2002 год наличная цена на магний упала с US$4,120/т до US$2,550/т. Основной причиной падения цен стало быстрое увеличение экспорта дешевого магния из Китая – их экспортная цена в конце 2002 года составляла US$1,320/т, по сравнению с ценой свободного рынка US$1,930/т.
Мировые цены на магний за период с июня 2008 года, когда они достигли рекордно высокого уровня в 6100 долл./т, по середину мая 2009 года снизились более чем вдвое (до 2665 долл.). Падение цен было вызвано расходованием собственных складских запасов потребителями и сокращением спроса на металл со стороны строительного сектора, автомобилестроения и производства цифрового электронного оборудования. В 2010-2012 годах цены на магний находились в районе приблизительно 5000 долл./т.

Цены на магний, долл./кг

В ближайшие десять лет ежегодный темп роста промышленности магния достигнет 7,5%, и считается, что спрос на магнезит будет устойчиво расти. Согласно прогнозам, в 2015 году объемы добычи магнезитов в Китае достигнут 29,5 млн. тонн.

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 MgCO3 и двойная соль доломит CaMg2. Огромные запасы магния содержатся в морях и океанах в виде MgCl2. Науке известно около 1500 минералов. И почти 200 из них содержат магний.

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 + O2 = 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 + 2H2O = Mg(OH)2 + H2

Горит магний и в среде углекислого газа.

2Mg + CO2 = 2MgO + C

С галогенами магний взаимодействует при комнатной температуре.

Mg + Br2 = MgBr2

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

Mg + S = MgS

В реакцию со щелочами магний не вступает.

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.


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.

Нахождение в природе, получение:

Магний — один из десяти наиболее распространенных элементов земной коры. В ней содержится 2,35% магния по массе. Из-за высокой химической активности в свободном виде магний не встречается, а входит в состав множества минералов — силикатов, алюмосиликатов, карбонатов, хлоридов, сульфатов и др. Так, магний содержат широко распространенные силикаты оливин (Mg,Fe)2 и серпентин Mg6(OH)8.
Важное практическое значение имеют такие магнийсодержащие минералы, как асбест, магнезит, доломит MgCO3•CaCO3, бишофит MgCl2•6H2O, карналлит KCl•MgCl2•6H2O, эпсомит MgSO4•7H2O, каинит KCl•MgSO4•3H2O, астраханит Na2SO4•MgSO4•4H2O и др.
Магний содержится в морской воде (4% Mg в сухом остатке), в природных рассолах, во многих подземных водах.
Обычный промышленный метод получения металлического магния — это электролиз расплава смеси безводных хлоридов магния MgCl2, натрия NaCl и калия KCl. В этом расплаве электрохимическому восстановлению подвергается хлорид магния.
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 CaCO3·MgCO3, не проводя предварительного разделения магния и кальция. С участием доломита протекают реакции:
CaCO3·MgCO3 = CaO + MgO + 2CO2, 2MgO + 2CaO + Si = Ca2SiO4 + 2Mg.
Для получения магния используют не только минеральное сырье, но и морскую воду. Чистота рафинированного магния достигает 99,999% и выше.

Важнейшие соединения:

Оксид магния, MgO: ???.
При хранении на воздухе оксид магния постепенно поглощает влагу и CO2, переходя в Mg(OH)2 и в MgCO3
Пероксид магния, MgO2: получен взаимодействием свежеосажденной Mg(OH)2 с 30%-ной H2O2. Бесцветное микрокристаллическое вещество, малорастворимое в воде и постепенно разлагающееся при хранении на воздухе.
Гидроксид магния, Mg(OH)2: белый, очень малорастворим в воде. Помимо кислот, он растворим в растворах солей аммония (что важно для аналитической химии). Встречается в природе (минерал брусит).
Соли магния. Большинство солей магния хорошо растворимо в воде. Растворы содержат бесцветные ионы Mg2+, которые сообщают жидкости горький вкус. Заметно гидролизуются водой только при нагревании раствора.
Большинство солей выделяется из растворов в виде кристаллогидратов (напр. MgCl2*6H2O, MgSO4*7H2O). MgSO4*7H2O в природе образует минерал «горькая соль».
При нагревании кристаллогидратов галоидных солей образуются труднорастворимые в воде основные соли.
К малорастворимым солям магния относится MgF2 (растворимость 0,08г/л), карбонат магния. Последний может быть получен реакцией обмена только при одновременном присутствии в растворе большого избытка CO2, в противном случае осаждаются основные соли. Примером такой соли может служить «белая магнезия» — основная соль приблизительного состава 3MgCO3*Mg(OH)2*3H2O

Применение:

Основная часть добываемого магния используется для получения различных легких сплавов. В состав этих сплавов, кроме магния, входят, как правило, алюминий, цинк, цирконий. Такие сплавы достаточно прочны и находят применение в самолетостроении, приборостроении и для других целей.
Для защиты от коррозии водонагревателей и отопительных котлов находят применение магниевые аноды, представляющие из себя стальные стержни с нанесенным на них слоем магниевого сплава. В этом случае разрушается сам анод, а не стенки водонагревателя (протекторная защита).
Высокая химическая активность металлического магния позволяет использовать его при магниетермическом получении таких металлов, как титан, цирконий, ванадий, уран и др. При этом магний реагирует с оксидом или фторидом получаемого металла, например:
2Mg + TiO2 = 2MgO + Ti или 2Mg + UF4 = 2MgF2 + U.
Широкое применение находят многие соединения магния, особенно его оксид, карбонат и сульфат. Так, горькая соль применяется в текстильной и бумажной промышленности, а также в медицине.

В человеческом организме количество магния составляет всего несколько десятых или сотых долей процента, однако он играет немаловажную роль в процессах жизнедеятельности. Магний усиливает процессы обмена углеводов в мышцах, регулирует обмен кальция; поэтому из-за недостатка магния развивается остеопороз и воспалительно-дистрофические заболевания опорно-двигательного аппарата.
Недостаточное количество магния в крови — признак переутомления или стрессового состояния. Доказано, что недостаток магния в организме способствует заболеванию инфарктом миокарда. В организм поступает с пищей, но при этом усваивается менее 40% магния, так как его соединения плохо всасываются кишечником.

Основным производителем этого металла в мире является Китай, который «монополизировал» мировой рынок. В 2007 году производство китайского магния достигло 260 тысяч тонн.

В России производство сосредоточено в Пермском крае (25 тыс.т/год). В 2004 году создано ОАО «Русский магний» для строительства завода по производству магния в Асбесте (Свердловская область), но в настоящее время проект заморожен.

Алиуллов Андрей
ХФ ТюмГУ, 581 группа, 2011 г.

Добавить комментарий

Закрыть меню