VDV-1070 (Магний)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. М.В. ЛОМОНОСОВА

БИОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Магний

Àâòîð: ñòóäåíò ãðóïïû 104 Ãåîðãèé Àëåêñàíäðîâè÷ Áàçûêèí

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) содержание магния составляет 2,1%. В природе магний встречается только в виде соединений. Он входит в состав многих минералов: карбонатов, силикатов и др. К числу важнейших из таких минералов относятся, в частности, углекислые карбонатные породы, образующие огромные массивы на суше и даже целые горные хребты – магнезит MgCO₃ и доломит MgCO₃žCaCO₃. Под слоями различных наносных пород совместно с залежами каменной соли известны колоссальные залежи и другого легкорастворимого магнийсодержащего минерала – карналлита MgCl₂žKClž6H₂O (в Соликамске, например, пласты карналлита достигают мощности до 100 м). Кроме того, во многих минералах магний тесно связан с кремнеземом, образуя, например, оливин [(Mg, Fe)₂SiO₄] и реже встречающийся форстерит (Mg₂SiO₄). Другие магнийсодержащие минералы – это бруцит Mg(OH)₂, кизерит MgSO₄, эпсонит MgSO₄ž7H₂O, каинит MgSO₄žKClž3H₂O. На поверхности Земли магний легко образует водные силикаты (тальк, асбест и др.), примером которых может служить серпентин 3MgOž2SiO₂ž2H₂O. Из известных науке 1500 минералов около 200 (более 13%) содержат магний. Однако природные соединения магния широко встречаются и в растворенном виде. Кроме различных минералов и горных пород, 0,13% магния в виде MgCl₂ постоянно содержатся в водах океана (его запасы здесь неисчерпаемы – около 6ž10¹⁶ т) и в соленых озерах и источниках. В растительных и 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 оценивается величиной порядка 10¹¹ тонн. При недостатке магния приостанавливается рост и развитие растений. Накапливается он преимущественно в семенах. Введение магниевых соединений 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 народного хозяйства. Он используется при изготовлении сверхлегких сплавов для авиационной и ракетной техники, как легирующий компонент в алюминиевых сплавах, как восстановитель при магниетермическом получении металлов (титана, циркония и т.п.), в производстве высокопрочного “магниевого” чугуна со включенным графитом. Другие соединения магния – окись, карбонат, сульфат и т.п. – совершенно необходимы при изготовлении огнеупорных материалов, цементов и прочих строительных материалов.

Магний кристаллизуется в гексагональную плотноупакованную решетку, на каждой ячейке которой – по 6 атомов, из них 3 – в вершинах и в центре базисных граней, а 3 – в центрах трех тригональных призм. Занятые и свободные призмы чередуются.

Физические и химические свойства

Магний – серебристо-белый блестящий металл, сравнительно мягкий и пластичный, хороший проводник тепла и электричества. На воздухе он покрывается тонкой оксидной пленкой, придающей ему матовый цвет. Кристаллическая решетка магния относится к гексагональной системе.

В природе магний встречается в виде трех стабильных изотопов: ²⁴Mg (78,60%), ²⁵Mg (10,11%) и ²⁶Mg (11,29%). Искусственно были получены изотопы с массами 23, 27 и 28.

В периодической системе элементов магний располагается в главной подгруппе II группы; его порядковый номер – 12, атомный вес 24,312. Электронная конфигурация невозбужденного атома – 1s²2s²p⁶3s²; валентные электроны наружного слоя определяют валентность ⁺² и объясняет типичный характер восстановительных реакций, в которые вступает магний. Строение внешних электронных оболочек атома Mg (3s²) соответствует его нульвалентному состоянию. Возбуждение до обычного двухвалентного (3s3p) требует затраты 62 ккал/г-атом

На внешнем электронном уровне атома содержатся только 2 электрона, которые легко отдаются для образования стабильной 8-электронной конфигурации, в результате чего образуются двухвалентные положительно заряженные ионы магния. Поэтому химически магний очень активен, на воздухе окисляется, но образующаяся при этом на поверхности окисная пленка отчасти препятствует дальнейшему окислению.

Магний наряду с бериллием, кальцием, стронцием, барием и радием относится к группе щелочноземельных металлов. Все они имеют бело-серебристый цвет (исключение составляет барий – он светло-серый), все они мягкие и легкие (кроме радия – он тяжелый и радиоактивный). Щелочноземельные металлы плохо проводят электрический ток; почти все они неустойчивы на воздухе, активны, легко растворяются в разбавленных кислотах, при нагревании энергично реагируют с кислородом, водородом, азотом, углеродом, галогенами, серой, фосфором и др.; они используются в качестве восстановителей в промышленном многих веществ. Но как конструкционный материал 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 в 100 тыс. ат его объем уменьшается до 0,85 исходного.

Аллотропические модификации магния неизвестны.

На магний не оказывают заметного действия дистиллированная вода, 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 содержащие спирта 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, кремнефтористоводородные кислоты, водные растворы галоидных солей, сернистых соединений, NH₃, его водные растворы, N_xO_y, растворы двууглекислой соды, органические кислоты, водные и спиртовые растворы хлорметила и хлорэтила, метиловый спирт, гликоли и гликолевые смеси, многие альдегиды.

При комнатной температуре на воздухе компактный магний химически стоек. На его поверхности образуется оксидная пленка, предохраняющая металл от окисления. При нагревании химическая активность магния повышается. Считается, что верхний температурный предел устойчивости магния в кислороде лежит в интервале 350–400 ^oC.

На воздухе магний воспламеняется при температуре 600-650 ^oC, при этом образуется MgO, частично Mg₃N₂; при 400–500 ^oC в атмосфере H₂ под давлением образуется гидрид MgH₂. Реакции сопровождаются большим выделением тепла (чтобы нагреть стакан ледяной воды до кипения, достаточно 4 г магния) и мощным излучением ультрафиолета.

При нагревании магний взаимодействует с галогенами с образованием галогенидов; при 500–600 ^oC при взаимодействии с серой образуется MgS; при более высокой 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 большинство металлов из их солей, H₂ из воды и кислот.

Холодная вода на магний почти не действует, с горячей водой он медленно взаимодействует с выделением водорода. В разбавленных кислотах магний растворяется 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).Поэтому оба металла должны были бы разлагать воду. Однако при обычной температуре такое разложение практически не происходит. Обусловлено это малой растворимостью оксида магния, образующего защитный слой на поверхности металла.

С водным раствором аммиака магний почти не реагирует, зато он растворим при действии на него растворов солей аммония. Реакция в этом случае идет по схеме 2NH₄⁺+Mg=Mg²⁺+H₂+2NH₃.

Растворы щелочей на магний не действуют.

Соединения магния

Поляризующая способность иона Mg²⁺ невысока, а по величине коэффициента поляризации, который количественно характеризует деформируемость иона, магний уступает большинству металлов.

Поэтому комплексные соединения магния малоустойчивы и образуются обычно только в щелочной среде.

Ниже представлены теплоты образования некоторых соединений магния и бериллия, рассчитанные в ккал на грамм-эквивалент металла:

Из приведенных данных видно, что теплоты образования аналогичных производных бериллия и магния близки при сравнительно малых объемах металлоидных атомов (F, O, N) и сильно расходятся при больших (Cl, Br, I, S). Так как сам атом магния значительно больше атома бериллия, это свидетельствует о значительной роли объемных соотношений при образовании рассматриваемых соединений.

Ядерные расстояния в кристаллах MgO (т. пл. 2850^оС) равны 1,64 , а у их индивидуальных молекул (в парах) – 1,75 . Пары MgO сильно диссоциированы на элементы. MgO растворима в воде тем труднее, чем сильнее она была предварительно прокалена. Такое снижение реакционной способности обусловлено в данном случае укрупнением кристаллов. При хранении на воздухе оксид магния постепенно поглощает влагу и CO₂, переходя в Mg(OH)₂ и в MgCO₃. Окись магния изредка встречается в природе (минерал периклаз). Получаемая прокаливанием природного магнезита MgO является исходным продуктом для изготовления различных огнеупорных изделий и искусственных строительных материалов (“ксилолит” и др.) Кашица из замешанной на очищенном бензине окиси магния может быть использована для снятия с бумаги жировых и масляных пятен: ею смазывают пятно и дают бензину испариться, после чего удаляют сорбировавшую жир окись магния.

В основе ксилолита лежит магнезиальный цемент, получаемый смешиванием предварительно прокаленной при 800^оС окиси магния с 30%-ным водным раствором MgCl₂ (на 4 вес. ÷. MgO берется 1 вес. ч. безводного MgCl₂). Вследствие образования более или менее длинных цепей типа –Mg–O–Mg–O–Mg– (с гидроксилами или атомами хлора на концах) смесь через несколько часов дает белую, очень прочную и легко полирующуюся массу. При изготовлении ксилолита к исходной смеси примешивают опилки и т.п. Кроме ксилолита, используемого главным образом для покрытия полов, на основе магнезиального цемента часто готовят жернова, точильные камни и т.д.