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 толь-ко в виде соединений. Он входит в состав многих минералов: карбонатов, силикатов и др. К числу важнейших из таких минералов относятся, в частности, углекислые карбонатные по-роды, образующие огромные массивы на суше и даже целые горные хребты – магнезит MgCO3 и доломит MgCO3CaCO3. Под слоями различных наносных пород совместно с зале-жами каменной соли известны колоссальные залежи и другого легкорастворимого магнийсо-держащего минерала – карналлита MgCl2KCl6H2O (в Соликамске, например, пласты кар-наллита достигают мощности до 100 м). Кроме того, во многих минералах магний тесно свя-зан с кремнеземом, образуя, например, оливин [(Mg, Fe)2SiO4] и реже встречающийся фор-стерит (Mg2SiO4). Другие магнийсодержащие минералы – это бруцит Mg(OH)2, кизерит MgSO4, эпсонит MgSO47H2O, каинит MgSO4KCl3H2O. На поверхности Земли магний лег-ко образует водные силикаты (тальк, асбест и др.), примером которых может служить сер-пентин 3MgO2SiO22H2O. Из известных науке 1500 минералов около 200 (более 13%) со-держат магний. Однако природные соединения магния широко встречаются и в растворен-ном виде. Кроме различных минералов и горных пород, 0,13% магния в виде MgCl2 постоян-но содержатся в водах океана (его запасы здесь неисчерпаемы – около 61016 т) и в соленых озерах и источниках. В растительных и животных организмах магний содержится в количе-ствах порядка сотых долей процента, а в состав хлорофилла входит до 2% Mg. Общее содер-жание 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 маг-ний 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 (ти-тана, циркония и т.п.), в производстве высокопрочного “магниевого” чугуна со включенным графитом. Другие соединения магния – окись, карбонат, сульфат и т.п. – совершенно необ-ходимы при изготовлении огнеупорных материалов, цементов и прочих строительных мате-риалов.

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.

Атомный радиус, Å 1,6

Радиус иона Mg2+, Å 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сек. град 0,37

Удельное электрическое сопротивление, Омсм 4,510-6

Поперечное сечение захвата тепловых электронов, барн 0,059

Электропроводность (Hg=1) 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 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 невоз-бужденного атома – 1s22s2p63s2; валентные электроны наружного слоя определяют валент-ность +2 и объясняет типичный характер восстановительных реакций, в которые вступает магний. Строение внешних электронных оболочек атома Mg (3s2) соответствует его нульва-лентному 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 обра-зуются 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 на-гревании энергично реагируют с кислородом, водородом, азотом, углеродом, галогенами, се-рой, 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, фтористоводо-родная кислота любой концентрации, водные растворы фтористых солей, сера (жидкая и газ), сернокислый алюминий, сероуглерод, растворы едких щелочей, углекислая щелочь, су-хие углеводороды, органические галогенпроизводные, не содержащие спирта и H2O, безвод-ная C2H5OH, этиловый и уксусный эфиры, жиры и масла, не содержащие кислот, ароматиче-ские соединения и минеральные масла.

Разрушающе действуют на магний морская и минеральная вода, водные растворы HCl, H2SO4, HNO3, H3PO4, кремнефтористоводородные кислоты, водные растворы галоид-ных солей, сернистых соединений, NH3, его водные растворы, NxOy, растворы двууглекислой соды, органические кислоты, водные и спиртовые растворы хлорметила и хлорэтила, мети-ловый 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 нагре-вании 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 большинст-во металлов из их солей, H2 из воды и кислот.

Холодная вода на магний почти не действует, с горячей водой он медленно взаимо-действует с выделением водорода. В разбавленных кислотах магний растворяется даже на холоду. В HF магний не растворяется, поскольку на поверхности образуется пленка из труд-но 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 темпера-туре 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