Магний

Магний один из самых распространенных в земной коре элементов, онзанимает IV место после кислорода, кремния, алюминия, железа и кальция МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. М.В.ЛОМОНОСОВАБИОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ Магний Москва, 17 декабря 1996 г.Магний один из самых распространенных в земной коре элементов,он занимает VI место после кислорода,кремния, алюминия, железа и кальция. В литосфере по А.П.Виноградову содержаниемагния составляет 2,1 . В природе магний встречается только в виде соединений.

Онвходит в состав многих минералов карбонатов, силикатов и др. К числу важнейшихиз таких минералов относятся, в частности, углекислые карбонатные породы, образующиеогромные массивы на суше и даже целые горные хребты магнезит MgCO3 и доломит MgCO3 158 CaCO3. Под слоями различных наносных пород совместно с залежамикаменной соли известны колоссальные залежи и другого легкорастворимого магнийсодержащегоминерала карналлита MgCl2 158 KCl 158 6H2O в Соликамске, например, пласты карналлита достигают мощностидо 100 м . Кроме того, во многих минералах магний тесно связан с кремнеземом, образуя,например, оливин Mg, Fe 2SiO4 и реже встречающийсяфорстерит Mg2SiO4 . Другие магнийсодержащиеминералы это бруцит Mg OH 2, кизерит MgSO4, эпсонит MgSO4 158 7H2O, каинитMgSO4 158 KCl 158 3H2O. На поверхности Землимагний легко образует водные силикаты тальк, асбест и др примером которых можетслужить серпентин 3MgO 158 2SiO2 158 2H2O. Из известныхнауке 1500 минералов около 200 более 13 содержат магний.

Однако природные соединениямагния широко встречаются и в растворенном виде. Кроме различных минералов и горныхпород, 0,13 магния в виде MgCl2 постоянно содержатсяв водах океана его запасы здесь неисчерпаемы около 6 158 1016 т и в соленых озерах и источниках.

В растительныхи животных организмах магний содержится в количествах порядка сотых долей процента,а в состав хлорофилла входит до 2 Mg. Общее содержание этого элемента в живом веществе Земли оцениваетсявеличиной порядка 1011 тонн. При недостатке магния приостанавливаетсярост и развитие растений.

Накапливается он преимущественно в семенах.Введение магниевыхсоединений в почву заметно повышает урожайность некоторых культурных растений например,свеклы .Металлический магний был впервые получен в 1828 г. А. Бюсси.Основной способ получения магния электролиз расплавленного карналлита или MgCl2. Металлический магний имеет важное значение для народногохозяйства. Он используется при изготовлении сверхлегких сплавов для авиационнойи ракетной техники, как легирующий компонент в алюминиевых сплавах, как восстановительпри магниетермическом получении металлов титана, циркония и т.п в производствевысокопрочного магниевого чугуна со включенным графитом.

Другие соединения магния окись, карбонат, сульфат и т.п. совершенно необходимы при изготовлении огнеупорныхматериалов, цементов и прочих строительных материалов.Магний кристаллизуется в гексагональную плотноупакованнуюрешетку, на каждой ячейке которой по 6 атомов, из них 3 в вершинах и в центребазисных граней, а 3 в центрах трех тригональных призм.

Занятые и свободные призмычередуются. Физические и химические свойстваМагний серебристо-белый блестящий металл, сравнительно мягкийи пластичный, хороший проводник тепла и электричества.На воздухе он покрываетсятонкой оксидной пленкой, придающей ему матовый цвет. Кристаллическая решетка магнияотносится к гексагональной системе. Атомный радиус, A 1,6 Радиус иона Mg2 , A 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 стабильных изотопов 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 в главнойподгруппе II группы его порядковыйномер 12, атомный вес 24,312. Электронная конфигурация невозбужденного атома 1s22s2p63s2 валентные электронынаружного слоя определяют валентность 2 и объясняет типичный характервосстановительных реакций, в которые вступает магний.

Строение внешних электронныхоболочек атома Mg 3s2 соответствует его нульвалентномусостоянию.

Возбуждение до обычного двухвалентного 3s3p требует затраты 62 ккал г-атомНа внешнем электронном уровне атома содержатся только 2 электрона,которые легко отдаются для образования стабильной 8-электронной конфигурации, врезультате чего образуются двухвалентные положительно заряженные ионы магния.

Поэтомухимически магний очень активен, на воздухе окисляется, но образующаяся при этомна поверхности окисная пленка отчасти препятствует дальнейшему окислению.Магний наряду с бериллием, кальцием, стронцием, барием и радием относитсяк группе щелочноземельных металлов. Все они имеют бело-серебристый цвет исключениесоставляет барий он светло-серый , все они мягкие и легкие кроме радия он тяжелый и радиоактивный . Щелочноземельные металлы плохопроводят электрический ток почти все они неустойчивы на воздухе, активны, легкорастворяются в разбавленных кислотах, при нагревании энергично реагируют с кислородом,водородом, азотом, углеродом, галогенами, серой, фосфором и др. они используютсяв качестве восстановителей в промышленном многих веществ. Но как конструкционныйматериал из всей группы широко применяется только магний.Пары магния содержат молекулы Mg2, энергия диссоциации которых оценивается в 7 ккал моль.Сжимаемость Mg мала, под давлением в100 тыс. ат его объем уменьшается до 0,85 исходного.Аллотропические модификации магния неизвестны.

На магний не оказывают заметного действия дистиллированнаявода, фтористоводородная кислота любой концентрации, водные растворы фтористых солей,сера жидкая и газ , сернокислый алюминий, сероуглерод, растворы едких щелочей,углекислая щелочь, сухие углеводороды, органические галогенпроизводные, не содержащиеспирта и H2O, безводная C2H5OH, этиловый и уксусный эфиры, жиры и масла, не содержащие кислот,ароматические соединения и минеральные масла.Разрушающе действуют на магний морская и минеральная вода,водные растворы HCl, H2SO4, HNO3, H3PO4, кремнефтористоводородныекислоты, водные растворы галоидных солей, сернистых соединений, NH3, его водные растворы, NxOy, растворы двууглекислой соды, органические кислоты, водныеи спиртовые растворы хлорметила и хлорэтила, метиловый спирт, гликоли и гликолевыесмеси, многие альдегиды.При комнатной температуре на воздухе компактный магний химическистоек.

На его поверхности образуется оксидная пленка, предохраняющая металл от окисления.При нагревании химическая активность магния повышается. Считается, что верхний температурныйпредел устойчивости магния в кислороде лежит в интервале 350 400 oC.На воздухе магний воспламеняется при температуре 600-650 oC, при этом образуетсяMgO, частичноMg3N2 при 400 500 oC в атмосфере H2 под давлением образуется гидрид MgH2. Реакции сопровождаются большим выделением тепла чтобы нагретьстакан ледяной воды до кипения, достаточно 4 г магния и мощным излучением ультрафиолета.При нагревании магний взаимодействует с галогенами с образованиемгалогенидов при 500 600 oC при взаимодействии с серой образуется MgS при болеевысокой температуре возможно образование карбидов MgC2 и Mg2C3, силицидов MgSi и Mg3Si2, фосфида Mg3P2.Нормальный электродный потенциал магния в кислой среде составляет-2,37 в, в щелочной -2,69 в. Магний сильный восстановитель, может вытеснить большинствометаллов из их солей, H2 из воды и кислот.Холодная вода на магний почти не действует, с горячей водойон медленно взаимодействует с выделением водорода.

В разбавленных кислотах магнийрастворяется даже на холоду.

В HF магний не растворяется,поскольку на поверхности образуется 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 щелочной среде .Поэтомуоба металла должны были бы разлагать воду. Однако при обычной температуре такоеразложение практически не происходит.

Обусловлено это малой растворимостью оксидамагния, образующего защитный слой на поверхности металла.С водным раствором аммиака магний почти не реагирует, затоон растворим при действии на него растворов солей аммония.

Реакция в этом случаеидет по схеме 2NH4 Mg Mg2 H2 2NH3.Растворы щелочей на магний не действуют.

Соединения магнияПоляризующая способность иона Mg2 невысока, а по величине коэффициента поляризации, которыйколичественно характеризует деформируемость иона, магний уступает большинству металлов.Поэтому комплексные соединения магния малоустойчивы и образуютсяобычно только в щелочной среде.Ниже представлены теплоты образования некоторых соединениймагния и бериллия, рассчитанные в ккал на грамм-эквивалент металла F Cl Br I O S N Mg 134 77 62 43 72 42 19 Be 134 77 62 43 72 42 19 Отношение Mg Be 0,90 0,73 0,65 0,47 1,00 0,47 1,21 Из приведенных данных видно, что теплоты образования аналогичныхпроизводных бериллия и магния близки при сравнительно малых объемах металлоидныхатомов F, O, N и сильно расходятся при больших Cl, Br, I, S . Так каксам атом магния значительно больше атома бериллия, это свидетельствует о значительнойроли объемных соотношений при образовании рассматриваемых соединений.

Ядерные расстояния в кристаллах MgO т. пл. 2850оС равны 1,64 A, а у их индивидуальныхмолекул в парах 1,75 A. Пары MgO сильно диссоциированына элементы.

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

Такое снижение реакционной способности обусловлено в данном случае укрупнениемкристаллов.

При хранении на воздухе оксид магния постепенно поглощает влагу и CO2, переходяв Mg OH 2 и в MgCO3.Окись магния изредка встречается в природе минералпериклаз . Получаемая прокаливанием природного магнезита MgO являетсяисходным продуктом для изготовления различных огнеупорных изделий и искусственныхстроительных материалов ксилолит и др. Кашица из замешанной на очищенном бензинеокиси магния может быть использована для снятия с бумаги жировых и масляных пятен ею смазывают пятно и дают бензину испариться, после чего удаляют сорбировавшую жирокись магния.В основе ксилолита лежит магнезиальный цемент, получаемыйсмешиванием предварительно прокаленной при 800оС окиси магния с 30 -нымводным раствором MgCl2 на 4 вес MgO берется 1 вес. ч. безводногоMgCl2 . Вследствие образования более или менее длинных цепей типа Mg O Mg O Mg сгидроксилами или атомами хлора на концах смесь через несколько часов дает белую,очень прочную и легко полирующуюся массу.

При изготовлении ксилолита к исходнойсмеси примешивают опилки и т.п. Кроме ксилолита, используемого главным образом дляпокрытия полов, на основе магнезиального цемента часто готовят жернова, точильныекамни и т.д.Белый амфотерный гидроксид магния очень малорастворим в воде.Растворенная часть Mg OH 2 диссоциирована по типу основания и является электролитом слабойсилы.

Осаждение Mg OH 2в процессе нейтрализации кислого раствора наступаетпри pH 10,5. Гидроксид магния встречается в природе минерал брусит . Помимо кислот, он растворим в растворах солей аммония что важно для аналитическойхимии . Растворение, например, в NH4Clпротекает по схеме Mg OH 2 2NH4Cl MgCl2 2NH4OH и обусловлено образованиемсравнительно малодиссоциированного гидроксида аммония.Для магния известна аналогичная гидроксиду этоксидная производнаяMg OC2H5 2. Она может быть получена взаимодействием амальгамы магния соспиртом и представляет собой белый порошок, растворимый в спирте и разлагаемый водой.Взаимодействием свежеосажденной Mg OH 2 с 30 -нойH2O2 была получена перекись магния MgO2. Это бесцветноемикрокристаллическое вещество, малорастворимое в воде и постепенно разлагающеесяпри хранении на воздухе.Большинство солей магния хорошо растворимо в воде. Растворысодержат бесцветные ионы Mg2 ,которые сообщают жидкости горький вкус. Соли Mg гидролизуютсяводой только при нагревании раствора.Почти все галоидные соли магния расплываются на воздухе илегкорастворимы в воде. Исключением является MgF2, растворимость которого весьма мала 0,08 г л . Большинствосолей выделяется из растворов в виде кристаллогидратов напр. MgCl2 6H2O .При их нагревании происходит отщепление части галоидоводородной кислоты и остаютсятруднорастворимые в воде основные соли.Нитрат магния легкорастворим не только в воде, но и в спирте.Кристаллизуются он обычно в виде Mg NO3 2 6H2O т. пл. 90оС . При нагревании выше температуры плавлениянитрат отщепляет не только воду, но и HNO3, а затем переходит в оксид.Для сульфата магния характерен легкорастворимый кристаллогидратMgSO4 7H2O. Он полностью обезвоживается при 200оС. Константаэлектролитической диссоциации MgSO4 5 103. В природе MgSO4 встречается в виде минералов горькой соли MgSO4 7H2O и кизерита MgSO4 H2O. Кизеритможет служить хорошим материалом для полученияMgO и SO2, т.к.при накаливании с углем разлагается по схеме MgSO4 C 64 ккал CO SO2 MgO. Горькая соль применяетсяв текстильной и бумажной промышленности, а также в медицине.С сульфатами некоторых одновалентных металлов MgSO4 образет двойные соли, так называемые шениты состава M2 Mg SO4 2 6H2O, где M одновалентный катион.

Шенитом K2 Mg SO4 2 6H2O пользуются иногда в качествекалийного минерального удобрения.Почти нерастворимый в воде нормальный карбонат магния можетбыть получен только при одновременном присутствии в растворе большого избытка CO2. Впротивном случае осаждаются также почти неростворимые основные соли. Белая магнезия это основная соль приблизительногосостава 3MgCO3 Mg OH 2 3H2O. МагнидыКристаллические структуры магнидов, по сравнению со многимисистемами на основании других металлов, значительно различаются между собой.

В первомприближении все магниды можно разделить на две большие группы магниды, имеющие структуры, типичные для металлов и сплавов магниды, имеющие структуры, типичные для ионных или гетерополярныхсоединений.

Граница между этими группами условна, но, в общем, увеличениеатомного номера в периоде сопровождается последовательным переходом от соединенийметаллического типа к валентным и ионным соединениям.Существуют несколько способов получения магнидов важнейшимииз них являются следующие 1 синтез из компонентов по реакции общего видаxMe yMg MexMgy, реакция осуществляется сплавлением, спеканием или горячимпрессованием , дистилляцией.

Этим методом можно получать все обнаруженные к настоящемувремени магниды двойных или многокомпонентных систем 2 магниетермическое восстановление или восстановлениегаллоидными соединениями MeO Mg MeMg MgOПрименяется в случаях, когда прямое сплавление не дает положительногорезультата 3 электрохимический способ электролитическое выделение 4 термическое разложение термолиз например, MgB2800 960 C MgB4 970 C MgB6 gt 1200 C MgB12 . Применение магнидов в техникеМагниды фазовые составляющие многих сплавов на основе Mg, которыеблагодаря высокой удельной прочности, хорошей обрабатываемости, коррозионной стойкостишироко применяются в технике.

Магниды входят в состав некоторых промышленных сплавовна основе алюминия.

Область применения магниевых сплавов расширяется при введениив их состав небольшого количества магнидов, придающих им определенные физическиесвойства.

Так, сплавы магния с редкоземельными металлами представляют значительныйпрактический интерес, поскольку механические свойства магния и его сплавов при повышениитемпературы могут быть значительно улучшены путем введения небольших количеств редкоземельныхметаллов.

Практический интерес представляют сплавы Mg Zr, поскольку сравнительнонебольшая добавка циркония существенно уменьшает размер зерна магния и таким образомулучшает механические свойства материала.

Такие сплавы применяются, например, вкачестве материала для оболочек тепловыделяющих элементов реактора с графитовымзамедлителем и теплоносителем CO2. История магнияПриродные магнийсодержащие материалы магнезит и доломит издавнаиспользовались в строительстве.Во время засухи в Англии летом 1618 г. Генри Уикер обнаружилна пастбище в Эпсоме небольшую ямку, заполненную водой, которую животные отказывалисьпить.

Позднее обнаружилось, что при наружном и внутреннем употреблении эта водапроявляет целебные свойства.

С середины XVII века Эпсом приобретает известность как курорт с источникомминеральной воды. Вскоре натуральной соли из этого источника стало не хватать,что привело к усиленным поискам ее искуственного заменителя.

Каспар Неуманн 1683 1757 заявил, что приготовил искусственную эпсомскую соль посредством добавленияH2SO4 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 соли называетсяmagnesia alba белаямагнезия , по названию местности в горном районе Греции, где впервые было обнаруженоэто соединение.

Магнезию долго не могли отличитьот извести лишь в XVIII в. немецкий врач-терапевтФридрих Гоффман 1660 1742 установил, что эти соединения различны.Первые попытки выделить металлическую основу магнезии в чистомвиде были предприняты в начале XIX в. знаменитым английскимфизиком и химиком Гемфри Дэви 1778 1829 , после того, как он подверг электролизуедкий кали и едкий натр и получил металлический Na и K. Он решилпопытаться аналогичным образом осуществить разложение оксидов щелочноземельных металлови магнезии.

В своих 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, но всеони по разным причинам оказывались малоуспешными. Наконец, его постигла удача он смешал влажную магнезию с оксидом ртути, поместил массу на пластинку из платиныи пропустил через нее ток амальгаму перенес в стеклянную трубку, нагрел, чтобыудалить ртуть, и получил новый металл.

Тем же способом Дэви удалось получить барий,калий и стронций.Выделив металлическую основу, Дэви назвал новый металл magnium, так как считал, что слово magnesium легко спутать с manganese, то есть с марганцем.Тем не менееназвание magnesium вошло в употреблениево многих языках, так что новый металл лишь короткое время был известен под названием,которое дал ему Дэви. Правда, русское название этого металла звучит очень сходнос первоначальным.В компактной форме и в ощутимых количествах магний был впервыеполучен в 1828 г. Антуаном Александром Брутом Бусси 1794 1882 путем нагреваниясмеси безводного MgCl2c калием в стеклянной трубке.

В результате реакции калийсоединился с хлором, вытесняя магний с образованием KCl и Mg. С этихопытов начался первый этап металлургии магния, который был полностью основан нахимических методах.По технологии, сходной с методом Брута Бусси, во Франции, Англиии Соединенных Штатах работали небольшие заводы, производившие металлический магний.Такое производство существовало до конца прошлого века, пока не был создан электролитическийспособ получения магния.

Конкурировать с ним химический способ не смог, посколькуиспользовал дорогостоящие восстановители металлический натрий и калий, кроме того,при химическом способе не удавалось создать периодический технологический процесс.Появление электролитического способа получения магнияВ 1830 г. Майкл Фарадей получил несколько граммов металлическогомагния путем пропускания электрического тока через расплав MgCl2. В 1852 г. этот метод был детальноисследован и усовершенствован Робертом Бузеном 1811 1897 , который также осуществилпервое массовое производство Магния.

С помощью его электролизера, состоящего изфарфорового тигля и двух угольных электродов пилообразной формы, погружаемых сверхув расплав обезвоженного MgCl2,ему удавалось всего за несколько секунд получать королек магния весом в несколько грамм.

Пилообразная форма электродов была необходимадля удержания капелек магния во избежание их подъема на поверхность и самовоспламенения.При этом принципиальное значение для повышения производительности играла полнаяобезвоженность MgCl2.Технология электролитического получения магния за время своегоприменения подверглась значительным усовершенствованиям, однако ее принципы, естественно,остались без кардинальных изменений.Современное аппаратурное оформление электролитическогопроизводства Магния принципиально мало чем отличается от первого магниевого электролизерапромышленного типа на 300 а, разработанного Гретцелем и примененного им впервыев 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 поверхность электролитавне диафрагмы, а хлор отводился по трубке 4 . Тигель стоит на плите 5 , закрепленнойна решетке 6 , и обогревался горячими газами.

Верхняя часть электролизера выступаланад печью и охлаждалась воздухом. Выделяющийся Mg периодически вычерпывался вручную дырчатой ложкой. Любой восстановительныйгаз поступал из трубы 7 в электролизер. В качестве электролита использовался расплавленныйкарналлит.Основным промышленным способом получения магния и сейчас остаетсяэлектролиз обезвоженного или расплавленного хлористого магния или карналлита.Получение1 т металла с использованием этой технологии требует затраты около 20 тыс. квт ч электроэнергии.До первой мировой войны во всем мире работало только 2 магниевыхзавода в Геттингене и в Биттерфельде, получавших магний электролизом его расплавленныххлоридов.

В то время производилось всего несколько сот тонн магния в год, однакопотребности всех стран в этом металле, в том числе и России, импортировавшей магний,полностью удовлетворялись.Война превратила магний в стратегический материал. Прекращениеэкспорта магния из Германии и Франции заставило Англию и США наладить собственноеего производство на небольших электролизных установках.

В России электролитический метод получения магния впервыеразработал П.П.Федотьев в 1914 г. в Петроградском политехническом институте. В1931 г. в Ленинграде был пущен первый опытный магниевый завод, настоящее промышленноепроизводство в СССР ведется с 1935 г.Сейчас большая часть магния получается электролизным способом,меньшая термическим.Основные производители магния в мире Россия, США, Норвегия,Франция, Англия, Италия, Канада.

Разработка термических способов получения магнияМысль о возможности получения металлического магния путемвосстановления его оксида с помощью угля возникла сравнительно давно в 80-х гг.прошлого века, однако реализация этого процесса в ощутимых масштабах оказалась возможнойтолько в 30-е гг. текущего столетия.Карботермический способ основан на обратимостиреакции MgO C 153 ккал CO Mg, равновесиекоторой при очень высоких температурах выше 2000 C eth .Основное методическое препятствие, возникавшее на пути решенияэтой 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 магний иСО стали разбавлять большим объемом холодных восстановительных газов при резкомснижении температуры с 2500о до 200о. Таким образом осуществляется закалка продуктов реакции, что предотвращает их обратное взаимодействие, и в конденсатореобразуется твердый порошкообразный магний, так называемая пуссьера . В настоящее время практически процесс проводят, накаливаятесную смесь MgO получаемой обжигом природного магнезита c антрацитомв дуговой электрической печи. Выделяющиеся пары тотчас разбавляют большим объемомсильно охлажденного водорода.

Освобождающийся в виде пыли металлический магний содержащий примеси MgO и C затем переплавляют.

Получаемый подобным образом металл характеризуется высокойчистотой 99,97 .Карботермический способ не сыграл, однако, заметной роли вистории производства магния.

Несмотря на свою принципиальную простоту, он не смогконкурировать с электролитическим способом по следующим причинам 1 удельный расход электричества при применении карботермическогоспособа оказался не ниже, чем в электролитическом способе 2 электролитический процесс непрерывен на всех стадиях, тогдакак карботермический периодичен 3 операции по переработке взрывоопасной пусьеры в компактныймагний сложны и трудо мки. Более значительную роль в истории магния сыграл другой термическийспособ его получения силикотермический восстановление MgO кремнием с получением свободного Mg .В 1917 г. Гросвенов предложил восстановить MgO элементарным кремнием при нормальном давлении в атмосфереН2. 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 как икарботермический, начал внедряться в промышленности перед второй мировой войнойи стал широко применяться во время войны, когда необходимо было быстро вводить вэксплуатацию новые магниевые заводы.

Этому способствовала распространенность дешевогосырья для такого производства и сравнительная простота технологии силикотермическогоспособа.В технологии, принятой для промышленного осуществления этого процесса,исходным сырьем служит обожженный доломит, а восстановителем ферросилиций с содержаниемне менее 75 Si. Смесь этих веществ накаливают под сильно уменьшенным давлениемвыше 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 силикотермический способпромышленного получения магния был существенно усовершенствован от малопроизводительных,периодически работающих реторт с внешним нагревом до непрерывно действующих электротермическихустановок, оборудованных современными средствами механизации и автоматизации.Возможность применения распространенного и дешевого магниевогосырья магнезит, доломит , резкое сокращение пути от руды до металла, безвредностьпроизводства, отсутствие необходимости в постоянном токе и другие положительныекачества делают силикотермический способ производства магния в его современной технологическомрешении перспективным, причем, вероятно, в первую очередь для тех стран, которыене располагают источником хлормагниевого сырья для электролиза.Правда, суммарный расход электроэнергии на 1 кг силикотермическогомагния ввиду большого расхода ее на производство восстановителя ферросилиция не ниже, а даже несколько выше, чем расход электроэнергии на 1 кг электролитическогомагния, т.е. составляет чуть больше 20 квт-ч электроэнергии переменного тока на1 кг товарного металла.Это обстоятельство, а также надежность им масштабность электролитическогоспособа производства магния не позволяют пока успешно конкурировать с ним силикотермическомуспособу при возможности свободного выбора между ними. Тем не менее, значение термическихметодов получения магния с 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 вытесненияс его помощью алюминия из расплавленного криолита.

Этот процесс в 80-е годы прошлоговека применялся промышленно на первом немецком алюминиевом заводе в Гмелингене.Несколько позже начали использовать способность порошка магнияи тонкой магниевой ленты гореть ослепительно белым пламенем с выделением большогоколичества тепла.

Это свойство магния получило применение в фотографии для моментальныхсъемок, а также в пиротехнике и для военных целей для изготовления осветительныхракет . В обоих случаях магний обычно смешивается с веществами, легко отдающимикислород. Ракетный осветительный состав,например, может содержать 45 Mg, 48 NaNO3и 7 связующего органического вещества.Наиболее важным практическим применением магния было использованиеего в качестве основы различных легких сплавов.

Затем он стал использоваться и вдругих областях техники, благодаря своим специфическим физико-химическим и механическимсвойствам.

По мере развития металлургии магния его получали все в более чистом виде,что открывало для этого металла новые области применения.1. Неконструкционное применение магния.Благодаря большому химическому сродству к кислороду магнийспособен отнимать его у многих оксидов, также как и хлор у хлоридов.

На этом свойствемагния основана магниетермия, открытая Бекетовым как способ получения других металловвытеснением их магнием из соединений. Она приобрела большое значение для современнойметаллургии.

В качестве примера можно указать, что магниетермия стала основным способомв производстве таких металлов, как бериллий и титан.

С помощью магниетермии былиполучены такие трудновосстанавливаемые металлы, как ванадий, хром, цирконий и другие.Магний используется для рафинирования вторичного алюминия от примеси магния путемпереплавки металла с жидкими хлоридными флюсами, содержащими криолит. В этом случаемагний из металлической фазы переходит в солевую в форме фтористого магния.Большая химическая активность магния по отношению к кислородупозволяет применять его в качестве раскислителя в производстве стали и цветноголитья, а также в порошкообразном виде для обезвоживания органических веществ спирта, анилина и др. .Важное значение в современной химической технологии получилсинтез сложных веществ с помощью магнийорганических соединений.

Таким путем былсинтезирован, в частности, витамин А.Высокий электроотрицательный электродный потенциал дал возможностьс большим эффектом применять магний в качестве материала для анодов при катоднойзащите от коррозии стальных и железных сооружений, находящихся во влажном грунте.Легкая воспламеняемость дисперсного магния и способность егогореть ослепительным белым пламенем долгое время использовалась в фотографии.Магниевый порошок стали применять также в качестве высококалорийногогорючего в современной ракетной технике.

Введение небольшого количества металлического магния в чугунпозволило значительно улучшить его механические в частности, пластические свойства.Глубокая очистка магния от примесей, достигнутая в последнеевремя, позволила использовать его в качестве одного из компонентов при синтезе полупроводниковыхсоединений.2. Конструкционное применение магния.Основное преимущество металлического магния его легкость магний самый легкий из конструкционных металлов . Технически чистый магний обладаетневысокой механической прочностью, однако введение в него в небольшом количестведругих элементов алюминия, цинка, марганца может значительно улучшить его механическиесвойства почти без увеличения удельного веса. На основе этих свойств магния былсоздан знаменитый сплав Электрон , содержащий, помимо магния, 6 алюминия, 1 цинкаи 0,5 марганца.

В настоящее время под техническим названием электрон понимаютсявообще все сплавы, в которых магний является главной составной частью . Плотностьэтого сплава 1,8 г см3 прочность на разрыв до 32 кГ мм2 твердость по Бринелю 40 55 кГ мм2. Этот, а также многие другие сплавына основе магния широко применялись в авиа- и автостроении.

В последнее время, однако,оказалось, что эти сплавы резко изменяют свои механические свойства при повышениитемпературы, и они были признаны непригодными.

В результате было создано множествоновых сплавов, отличавшихся значительно лучшими механическими и антикоррозийнымисвойствами, а также повышенной жаропрочностью и способностью сохранять свои прочностныехарактеристики при повышении температуры. В эти сплавы вводились небольшие добавкиразличных элементов циркония, тория, цинка, серебра, меди, бериллия, титана идругих.Подобного рода сплавы нашли широкое применение в авиации и ракетостроении.Кроме того, было создано большое количество разнообразныхсплавов, в которых магний не является главной составной частью.

Важнейшим из такихсплавов является магналий сплав алюминия с 5-30 магния.Магналий тверже и прочнеечистого алюминия, легче последнего обрабатывается и полируется.Как магналий , так и электрон на воздухе покрываются защитнойокисной пленкой, предохраняющей их от дальнейшего окисления.Введение 0,05 Mgв чугун резко повышает его ковкость и сопротивлениеразрыву.

Многие магниевые детали применяются в настоящее время в самыхразных областях электротехники. Небольшой вес изделий, выполненных из магниевыхсплавов, явился также важной причиной применения их для изготовления различных бытовыхпредметов и аппаратуры.Магниевые детали очень хорошо поглощают вибрацию. Их удельнаявибрационная прочность почти в 100 раз больше, чем у лучших алюминиевых сплавов,и в 20 раз больше, чем у легированной стали.Это очень важное свойство при созданииразнообразных 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 высокой хладостойкостью.Долгое время считалось, что область возможного применениямагния ограничивается его легкой воспламеняемостью. Действительно, небольшие кусочкимагния воспламеняются на воздухе при температуре 550оС. Однако изделияиз магния и магний в слитках неогнеопасны, так как магний имеет очень высокую теплопроводностьи нагреваемый участок детали быстро распространяет тепло по всей детали.

Были дажепопытки применения магния для изготовления двигателей внутреннего сгорания в испытанияхон хорошо выдерживал тепло, но оказался недостаточно стоек к агрессивному воздействиюпродуктов сгорания. Поэтому магниевые поршни используются редко, в основном в гоночныхмашинах и в технике специального назначения.Основной недостаток магния пониженная стойкость против коррозии.Магний сравнительно устойчив в сухом атмосферном воздухе в дистиллированной воде, но быстро разрушаетсяв воздухе, насыщенном водными парами и загрязненном примесями, в особенности сернистымгазом.Магний нестоек в очень многих веществах, так как являетсясамым активны из конструкционных металлов. Его поверхностная активная пленка имеетпористую структуру и поэтому слабо защищает от коррозии.Магний совершенно устойчив к плавиковой кислоте и другим соединениямфтора, так как при контакте с ним образуется слой MgF2 прочная сплошнаяпленка.

На этом основано применение магния для изготовления тары и насосов для перекачкиплавиковой 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 применение егодля изготовления резервуаров для их хранения.

Кроме того, он устойчив в бензине,керосине, смазочных маслах, жирах и т.п. и из него делают емкости для хранения нефтии нефтепродуктов и бензобаки.Поверхность магниевых сплавов защищают от коррозии нанесениемслоев лака, пленкой более стойкого металла, либо электрохимической и химическойобработкой, а иногда нанесением слоев эмали.

Чем чище магний, тем он устойчивее к коррозии. Это связанос тем, что он вступает в электрохимическую реакцию с крупицами практически любыхдругих элементов, которая разрушает из двух веществ более активное.

Особенно вредоноснымиявляются примеси железа, никеля, меди, хрома, свинца, кобальта они способствуюткоррозии магния даже в очень небольших количествах например, предельно допустимаяконцентрация железа в промышленно выпускаемом 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, а еслиучитывать широкое распространение магния в природе, относительную простоту способовего производства и ряд благоприятных свойств этого металла, можно полагать, чтодальнейшее развитие металлургии магния будет в первую очередь определяться его общетехническимзначением.

Биологическая роль магнияВ человеческом организме количество магния составляет всегонесколько десятых или сотых долей процента, однако он играет немаловажную роль впроцессах жизнедеятельности.

Доказано, что недостаток магния в организме способствуетзаболеванию инфарктом миокарда.Недостаточное количество магния в крови признакпереутомления 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, в случаенехватки его недостаток проще всего восполнить, потребляя минеральную воду. В организмеусваивается менее 40 поступающего в него магния, так как его соединения плохо всасываютсякишечником.

Магний усиливает процессы обмена углеводов в мышцах, укрепляет кости если в организме нарушено магние- кальциевое равновесие, то почти весь магний включаетсяв состав костных тканей, вытесняя оттуда кальций.

Это ведет к заболеванию рахитом.В нервной системе также содержатся большие количества магния,особенно в спинном мозге. Большое значения магния для деятельности нервной системыподтверждается тем, что при инъекции магния в кровь человек или животное впадаетв состояние, близкое к наркотическому.Это свойство магния используется в медицине.В организмах некоторых животных содержание магния сравнительновысоко. Так, например, в организме известковой губки содержится 4 магния, в талломенекоторых водорослей больше 3 .Магний входит в состав хлорофилла и, следовательно, играетнезаменимую роль в фотосинтезе и в газообмене планеты общее содержание магния втканях растений на Земле по некоторым оценкам составляет порядка 1011тонн.Кроме хлорофилла, магний во всех тканях растений участвуеттакже в образовании жиров, в превращении фосфорных соединений.

Особенно много магнияв соке каучуконосных растений.Нехватка магния приводит к уменьшению количествахлорофилла и к побледнению и смене окраски листьев на красную и желтую.

Магний как лекарственное средствоАнглийская соль MgSO4 7H2O используется как слабительное и желчегонное средство.Приинъекциях она вызывает состояние, близкое к наркотическому, и используется для борьбыс судорогами, для лечения гипертонии, психического возбуждения в сочетании с другимипрепаратами для обезболивания при родах.Водные растворы тиосульфата магния используются для леченияожогов 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.Практическая часть. 1. 2Mg O2 2MgO магний горит в кислороде воздуха ослепительно-белымпламенем .2. Mg 2HCl MgCl2 H2 выделяемыйкислород можно определить по пузырькам на поверхности металла и по взрыву при поджигании .3. Mg H2O Mg OH 2 H2 реакция идеточень медленно при кипячении .4. Mg 2H2O 2NH4Cl MgCl2 2NH4OH H2 при проведенииреакции ощущается характерный запах аммиака . В этой и предыдущей реакции образующийсяMgCl2 можно определить с помощью реакции MgCl2 2AgNO3 2AgCl Mg NO3 2.5. MgO MgCl2 H2O 2MgOHCl образование магнезиального цемента . Через некоторое времяцемент затвердевает.6. MgO H2O Mg OH 2 реакция идет при нагревании . Образующийся Mg OH 2 в этой и следующей реакции можноопределить по фиолетовому окрашиванию добавляемого раствора фенолфталеина.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 Использованнаялитература 1. БеляевА.И. История магния.

М. Наука, 1974.2. НекрасовБ.В. Основы общей химии. М. Химия, 1967.3. НиколаевГ.И. Магний служит человеку.

М. Металлургия, 1978.4. СамсоновГ.В Перминов В.П. Магниды.Киев Наукова думка, 1971.5. ТихоновВ.Н. Аналитическая химия магния.

М. Наука, 1973.