Магний (Mg)

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). Mg^₂+ 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).