Химический элемент магний (Mg) — характеристика, строение и свойства металла. К какой группе металлов сплавов относится магний

Особенности Mg, как элемента периодической системы

Химические свойства магния во многом лежат где-то между бериллием и кальцием. Прежде всего, это проявляется во взаимодействии с водой. Первый не реагирует с ней вообще, второй же в ней растворяется. Mg слабо взаимодействует с нагретой водой. Но при взаимодействии с водяным паром (от 400 градусов по Цельсию) происходит реакция Mg+ H2O = MgO + H2, в которой металл растворяется при активном выделении водорода.

Видео – химические свойства магния:

Несколько иная реакция происходит с водяным паром: Mg+ 2H2O = Mg(OH)2 +H2. Причем свободный водород в итоге поглощается магнием MgH3. В результате, если плавление металла происходило во влажной среде, по мере его застывания водород практически полностью исчезает.

Свойства магния: взаимодействовать с водой при высоких температурах становится и гореть при присутствии в атмосфере углекислого газа, – затрудняют тушение пожаров с участием Mg. Их нельзя тушить водой. По инструкции используют порошковые огнетушители и песок. Также можно применять оксиды Si, с которыми магний вступает в реакцию, но количество выделяемой теплоты значительно ниже.

На фото: горение магния

Также необходимо отметить, что несмотря на фактическую нерастворимость Mg(OH)2 в воде, раствор фенолфталеина в его присутствии окрашивается в розовый цвет.

Магний в таблице Менделеева

Магний металл устойчив к едким щелочам, соде, керосину, бензину, минеральным маслам. Способность этого элемента отнимать кислород и хлор, используют для восстановления чистых веществ. Например, брома или титана.

Для синтезов разных классов органических соединений используется свойство магния взаимодействовать с галогенами. Обычно это Cl, Br, I, с фтором Mg образует защитную пленку, из-за чего их соединение редко используется для синтеза реактивов Гриньяра. Последние наиболее часто формируются на основе формулы RMgHal, где R – это органический радикал, а Hal – один из перечисленных галогенов.

Какой металл реагирует со щелочами?

Щелочны́е мета́ллы — элементы 1-й группы периодической таблицы химических элементов (по устаревшей классификации — элементы главной подгруппы I группы): литий Li, натрий Na, калий K, рубидий Rb, цезий Cs, франций Fr.

Интересные материалы:

Как правильно посчитать стаж вождения? Как правильно поставить систему в Вену? Как правильно поставить свет при съемке видео? Как правильно поставить ударение обеспечение или обеспечение? Как правильно поставить ударение торты или торты? Как правильно постелить пол из осб? Как правильно приготовить Nesquik? Как правильно прикармливать линя? Как правильно принести извинения в письме? Как правильно принимать креатин Макслер?

История

С рудой в 18 – начале 19 века экспериментировали ученые Европы. Получать удавалось лишь сильно загрязненное вещество.

Настоящая история открытия начинается с середины 19 века, когда француз А.Бюсси и англичанин М.Фарадей получили материал достаточной степени чистоты. Оба использовали расплавленный хлорид магния. Первый восстанавливал вещество металлическим калием, второй – электролизом.

История названия вещества восходит ко временам Малой Азии. Магнезией назывался город, вблизи которого обнаружились залежи магнезита.

В России с середины 19 века используется термин «магний».

Атом и молекула магния. Формула магния. Строение магния

Магний (лат. Magnesium, от др.-греч. βαρύς – «тяжёлый») – химический элемент периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с обозначением Mg и атомным номером 12. Расположен в 2-й группе (по старой классификации — главной подгруппе второй группы), третьем периоде периодической системы.

Магний – щёлочноземельный металл. Относится к группе цветных металлов.

Как простое вещество магний при нормальных условиях представляет собой лёгкий, ковкий металл серебристо-белого цвета.

Молекула магния одноатомна.

Химическая формула магния Mg.

Электронная конфигурация атома магния 1s2 2s2 2p6 3s2. Потенциал ионизации (первый электрон) атома магния равен 737,75 кДж/моль (7,646236(4) эВ).

Строение атома магния. Атом магния состоит из положительно заряженного ядра (+12), вокруг которого по трем атомным оболочкам движутся 12 электронов. При этом 10 электронов находятся на внутреннем уровне, а 2 электрона – на внешнем. Поскольку магний расположен в третьем периоде, оболочек всего три. Первая – внутренняя оболочка представлена s-орбиталью. Вторая – внутренняя оболочка представлена s- и р-орбиталями. Третья – внешняя оболочка представлена s-орбиталью. На внешнем энергетическом уровне атома магния – на 3s-орбитали находится два спаренных электрона. В свою очередь ядро атома магния состоит из 12 протонов и 12 нейтронов. Магний относится к элементам s-семейства.

Радиус атома магния (вычисленный) составляет 145 пм.

Атомная масса атома магния составляет 24,304-24,307 а. е. м.

Переизбыток и недостаток

Магний практически безвреден для организма, хотя некоторым его соединениям и присвоен II класс опасности. В основном же металл в разных видах приносит лишь пользу. А страдают люди, животные и растения чаще всего от недостатка или переизбытка вещества.

Когда металла в организме слишком мало, увеличивается риск развития сахарного диабета, болезней почек и кишечника. У людей, страдающих от недостатка микроэлемента, часто болит голова, начинается бессонница, появляются спазмы мышц, быстро наступает утомление. При отсутствии лечения это может привести к различным более серьёзным заболеваниям, повышается возможность заболеть раком.

Прежде чем приступать к восстановлению уровня вещества в организме, необходимо проконсультироваться с врачом и установить степень потребности в веществе. После сдачи анализов доктор назначит переменный или постоянный на протяжении какого-то времени приём соответствующих лекарственных препаратов, принимать которые следует строго по инструкции.

При переизбытке микроэлемента у людей появляются следующие болезни:

• артрит;
• нарушение речи;
• тошнота;
• сонливость;
• и так далее.

Когда в почве содержится недостаточное количество вещества, у растений начинается мраморность листвы и хлороз. Отсутствие магния в рационе вызывает у крупного рогатого скота травяную тетанию.

Магний относится к жизненно необходимым микроэлементам. Сложно переоценить роль этого вещества в животных и растительных организмах. Его отсутствие в достаточном количестве способно возбудить множество заболеваний.

Получение чистого металла

Промышленное получение металла возможно двумя способами:

1. Электролитическим.
2. Термическим.

В первом способе необходимы обезвоженные хлориды магния, натрия, калия. Их смешивают в электролитической ванне, в расплаве происходит восстановления магния.

Чистый металл сливают, добавляя в ванну сырье. В черновом металле содержится до 2% примесей. При необходимости еще не остывший магний рафинируют, доводя чистоту почти до идеальной — 99,999%.

Во втором способе в качестве сырья предпочтительно использовать доломит с добавлением кокса. Возможно использование морской воды. Смесь разогревают до 2100 градусов, пары магния отгоняются и конденсируются.

Производство магниевых сплавов

Выплавку литейных магниевых сплавов производят:

• в тигельных печах, работающих на жидком топливе, на газообразном топливе, на электричестве;
• в электрических индукционных печах;
• в отражательных печах.

Выплавку деформируемых магниевых сплавов производят:

• в отражательных печах (3-12 т);
• в индукционных печах (более 12 т).

Во время выплавки магниевого сплава его поверхность усиленно защищают слоем флюса, чтобы не было контакта с кислородом. Применяются флюсы, изготовленные на основе солей фтора и хлора, а также щелочных металлов. В формовочные смеси также вводят специальные присадки чтобы избежать горения сплава.

Дальнейшую обработку литейных сплавов производят способами:

• литьё в песчаные формы – изготовление отливок методом заливки металла в специально подготовленные литейные модели, где будущие пустоты изделия заполняются песком;
• литьё в кокиль – изготовление отливок в разборных формах, пригодных к многократному употреблению;
• литьё под давлением – изготовление отливок путём впрыскивания металла в форму под давлением.

Дальнейшую обработку деформируемых сплавов производят способами:

• прессования – обработки сплава давлением путём выдавливания его из закрытой полости;
• ковки – обработки сплава давлением посредством приложения к нему высокой ударной нагрузки;
• штамповки – обработка сплава давлением посредством направленной пластической деформации;
• горячей прокатки – обработка сплав давлением путём пропускания его между давящими валками при высоких температурах;
• холодной прокатки – обработка сплав давлением путём пропускания его между давящими валками при низких температурах.

Способы обработки готовых изделий для улучшения их механических показателей:

• закалка (гомогенизация);
• закалка со искусственным старением;
• отжиг на снятие механических напряжений (рекристаллизация);
• отжиг на выравнивание структуры металла и на снижение зернистости (диффузный).

Получение в промышленности

В промышленных условиях для получения магния чаще всего применяют электролиз безводного хлорида или обезвоженного карналлита. Процесс проходит следующим образом:

1. Электролиз проходит при температуре от 720 до 750 °C.
2. По мере выделения элементов состав ванны корректируется, часть электролита при этом удаляется, а сырьё добавляется.
3. Расплавленный искомый металл всплывает на поверхность, и его регулярно извлекают.
4. Полученное вещество содержит много примесей. Для очистки элемент проходит рафинирование в специальных печах под слоем флюсов.
5. Очищенный металл разливают в изложницы.
6. Следующая очистка заключается в том, что реагент сублимируют несколько раз в вакууме.

Кроме этого метода, на производстве применяются металлотермический и углетермический способы получения магния. В первом случае брикеты из раскалённого и разложившегося доломита смешивают с восстановителем и нагревают в вакууме при температуре 1300 °C. Полученные в результате магниевые пары образуют конденсат, когда температура опускается до 400−500 °С. Чтобы очистить металл, применяют переплавку под флюсом или в вакууме. Чистый элемент разливают в изложницы.

При использовании второго метода брикеты, состоящие из угля и магниевой окиси, разогревают в электрических печах до 2100 °C. Превратившийся в пар металл отгоняют и конденсируют.

Также вещество добывают из морской воды. Для этого сырьё в очень больших баках смешивают с суспензией гидроксида кальция, который получают, перемалывая морские раковины. В результате происходящей химической реакции образуется особая суспензия, которая после высыхания становится хлоридом магния. После этого продукт подвергают электролитическим процессам.

Кроме морской воды, для выгонки магния может использоваться вода некоторых соленых озер. В Российской Федерации такие озёра находятся в Крыму, Поволжье и других регионах.

Свойства магния (таблица): температура, плотность, давление и прочее

История открытия

Новая эра развития химии началась в XVII веке. В этот период химик из Англии по фамилии Гро совершил открытие, приблизившее учёных к выделению магния. В 1695 г. во время выпаривания эпсомской минеральной воды он получил горькую соль, обладавшую свойством слабительного.

Через несколько лет исследования показали, что взаимодействие вещества с содой и карбонатом калия даёт белый рыхлый порошок. Этот же результат был получен во время прокаливания минерала, который был найден рядом с городом Магнезия в Греции. Из-за этого сходства соль стали назвать белой магнезией.

Непосредственно магний впервые был получен Хэмфри Дэви в 1808 г. Учёный проводил электролиз белой магнезии, в которую он добавил небольшое количество воды и ртутной окиси. Эта реакция привела к образованию амальгамы металлического вещества. Полученный металл после выведения получил название «магний».

Следует отметить, что реактив имел различные примеси. Чистый элемент в 1829 г. вывел французский химик Антуан Александр Брутус Бюсси.

Электронная схема магния

Mg:

1s2 2s2 2p6 3s2 Короткая запись:
Mg:
[Ne]3s2

Одинаковую электронную конфигурацию имеют атом магния и -1Na, +1Al, +2Si, +3P, +4S, +5Cl

Порядок заполнения оболочек атома магния (Mg) электронами: 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → 4f → 5d → 6p → 7s → 5f → 6d → 7p.

На подуровне ‘s’ может находиться до 2 электронов, на ‘s’ — до 6, на ‘d’ — до 10 и на ‘f’ до 14

Магний имеет 12 электронов, заполним электронные оболочки в описанном выше порядке:

• 2 электрона на 1s-подуровне
• 2 электрона на 2s-подуровне
• 6 электронов на 2p-подуровне
• 2 электрона на 3s-подуровне

Валентность Mg

Атомы магния в соединениях проявляют валентность II.

Валентность магния характеризует способность атома Mg к образованию хмических связей. Валентность следует из строения электронной оболочки атома, электроны, участвующие в образовании химических соединений называются валентными электронами. Более обширное определение валентности это:

Число химических связей, которыми данный атом соединён с другими атомами

Валентность не имеет знака.

Кристаллическая решётка магния:

Взаимодействие с различными кислотами

Для краткости, проще рассмотреть несколько экспериментов. Для них берутся такие виды кислот:

1. Соляная.
2. Азотная.
3. Серная (разбавленная и нет).

В первом случае наблюдается практически мгновенное растворение, сопровождающееся пузырьками белых газов и резким запахом хлора. Емкость, в которой происходила реакция нагревается.

В азотной кислоте кусочек магния не тонет. Бурый газ скапливается над поверхностью жидкости, выделяется тепло. Иногда говорят, что кислота «кипела», окружая кусочки магния.

Третий случай необходимо рассматривать, как два частных. В неразбавленной серной кислоте реакция идет медленно. Если же использовать раствор с небольшим количеством воды, магний также, как с азотной кислотой плавает на поверхности. При этом происходит едва заметная реакция с выделением белых пузырьков газа.

Нахождение в природе

Кларк магния — 1,95 % (19,5 кг/т). Это один из самых распространённых элементов земной коры. Большие количества магния находятся в морской воде в виде раствора солей. Основные минералы с высоким массовым содержанием магния:

• морская вода — (0,12—0,13 %),
• карналлит — MgCl2 • KCl • 6H2O (8,7 %),
• бишофит — MgCl2 • 6H2O (11,9 %),
• кизерит — MgSO4 • H2O (17,6 %),
• эпсомит — MgSO4 • 7H2O (9,9 %),
• каинит — KCl • MgSO4 • 3H2O (9,8 %),
• магнезит — MgCO3 (28,7 %),
• доломит — CaCO3·MgCO3 (13,1 %),
• брусит — Mg(OH)2 (41,6 %).

Магнезиальные соли встречаются в больших количествах в солевых отложениях самосадочных озёр. Месторождения карналлита осадочного происхождения имеются во многих странах.

Магнезит образуется преимущественно в гидротермальных условиях и относящихся к среднетемпературным гидротермальным месторождениям. Доломит также является важным магниевым сырьём. Месторождения доломита широко распространены, запасы их огромны. Они генетически связаны с карбонатными осадочными слоями и большинство из них имеет докембрийский или пермский геологический возраст. Доломитовые залежи образуются осадочным путём, но могут возникать также при воздействии на известняки гидротермальных растворов, подземных или поверхностных вод.

Чрезвычайно редким минералом является самородный магний, образующийся в потоках восстановительных газов и впервые обнаруженный в 1991 году в береговых отложениях Чоны (Восточная Сибирь), а затем в лавах в Южном Гиссаре (Таджикистан).

Природные источники магния

• Ископаемые минеральные отложения (магнезиальные и калийно-магнезиальные карбонаты: доломит, магнезит).
• Морская вода.
• Рассолы (рапа соляных озёр).

В 1995 г. бо́льшая часть мирового производства магния была сосредоточена в США (43 %), странах СНГ (26 %) и Норвегии (17 %), на рынке возрастает доля Китая.

Минералы, месторождения

Наш герой настолько активен в химическом отношении (просто-таки «неразборчив в связях»), что его нахождение в природе в чистом виде практически невозможно.

Природные источники магния — минералы:

• брусит;
• кизерит;
• доломит;
• магнезит;
• бишофит;
• эпсомит;
• карналлит.

Даже из морской воды можно добывать огненный металл. Самосадочные озера (вода в них называется рапой), содержат большое количество минеральных солей, в том числе магния.

Познавательно: таких озер много в Астраханской области. Это Белинские, Зинзилинские, Мочаговские самосадочные озера (список можно продолжить).

Крупнейшая российская группа месторождений — Саткинское — (разведано 14 штук) находится в Челябинской области, рядом с городом Сатка. Тут сосредоточены магнезиальные руды высокой чистоты.

Применение

Сплавы

Сплавы на основе магния являются важным конструкционным материалом в авиационной и автомобильной промышленности благодаря их лёгкости и прочности. Цены на магний в слитках в 2006 году составили в среднем 3 долл/кг.

Химические источники тока

Магний в виде чистого металла, а так же его химические соединения (бромид, перхлорат) применяются для производства очень мощных резервных электрических батарей (например магний-перхлоратный элемент, серно-магниевый элемент, хлористосвинцово-магниевый элемент, хлорсеребряно-магниевый элемент, хлористомедно-магниевый элемент, магний-ванадиевый элемент и др), и сухих элементов (марганцево-магниевый элемент, висмутисто-магниевый элемент, магний-м-ДНБ элемент и др). ХИТ на основе магния отличаются очень высокими значениями удельных энергетических характеристик и высоким разрядным напряжением. В последние годы в ряде стран обострилась проблема разработки аккумулятора с большим сроком службы, так как теоретические данные позволяют утверждать очень большие перспективы его широкого использования (высокая энергия, экологичность, доступность сырья).

Соединения

Гидрид магния — один из наиболее емких аккумуляторов водорода, применяемых для его хранения.

Огнеупорные материалы

Оксид магния MgO применяется в качестве огнеупорного материала для производства тиглей и специальной футеровки металлургических печей.

Перхлорат магния, Mg(ClO4)2 — (ангидрон) применяется для глубокой осушки газов в лабораториях, и в качестве электролита для химических источников тока с участием магния.

Фторид магния MgF2 — в виде синтетических монокристаллов применяется в оптике (линзы, призмы).

Бромид магния MgBr2 — в качестве электролита для химических резервных источников тока.

Медицина

Оксид и соли магния применяется в медицине (аспаркам, сульфат магния, цитрат магния, минерал бишофит). Бишофитотерапия использует биологические эффекты природного магния в лечении и реабилитации широкого круга заболеваний, в первую очередь — опорно-двигательного аппарата, нервной и сердечно-сосудистой систем.

Фотография

Магниевый порошок с окисляющими добавками (нитрат бария, нитрат аммония, перманганат калия, гипохлорит натрия, хлорат калия и т. д.) применялся (и применяется сейчас в редких случаях) в фотоделе в химических фотовспышках (магниевая фотовспышка).

Польза и вред добавок

Чистый магний ковкий, легкий металл. Только есть у металла свойство — подверженность коррозии. Потому чистый металл используют редко, в отличие от его сплавов. Для сплавов магния очень важны добавки алюминия, циркония, цинка.

Алюминий делает сплав прочнее и удобнее для литейных работ.

Количество лигатуры важно для качеств сплава:

• 3% алюминия придадут наибольшую пластичность;
• 6% лигатуры — даст лучшие прочность и пластичность;
• 9% алюминия подарит сплаву максимальную прочность.

Свойства цинка в сплавах подобны алюминиевым:

• 3% добавка максимально увеличивает пластичность;
• 5% цинка даст гармоничное сочетание пластичности и прочности сплава;

Если в сплаве есть вредные примеси (никель, железо), то лигатура цинка повысит коррозионную стойкость.

Кремний повысит способность к литью, но в присутствии железа уменьшит устойчивость к ржавчине.

Никель и железо примеси вредные, они делают сплав подверженным ржавчине.

Сплавы магния делят на деформируемые (МА) и литейные (МЛ); последние применяются значительно чаще. В сплав МЦИ добавляют медь, железо, цинк, никель. Эта смесь металлов хороша при вибронагрузках.

Применение вещества

Наибольшее количество металла потребляет металлургия. На его основе создаётся множество сплавов. Часто вещество используют в металлотермических процессах, чтобы получить редкие металлы, а также те, которые трудно восстановить. Применяется реагент для раскисления и десульфурации металлических веществ. Различные порошковые смеси на основе магния используются в качестве осветительных и зажигательных.

Соединения, содержащие реагент, нашли широкое применение в различных сферах жизнедеятельности. К примеру, в медицине, лекарства с магнием позволяют избавить пациентов от спазмов и судорог, успокоить нервы и так далее.

Значение для человека

Магний изначально присутствует в биологических организмах. Однако в повседневных продуктах (хлеб, молоко, мясо) его минимум.

Жизненные процессы

Без металла невозможен нормальный ход важных жизненных процессов:

• Синтез белка.
• Работа нервной системы, сердечной мышцы.
• Расширение сосудов.
• Желчеотделение.
• Работа ЖКТ.
• Выведение из организма холестерина.
• Сокращение мышц.

Суточная норма вещества для женщин и мужчин – 300 и 400 мг.

Потребность увеличивают психические, физические перегрузки, стрессы, злоупотребление алкоголем, потливость.

Нужно учитывать, что организм усваивает лишь треть общего количества поступившего вещества.

Усваивать микроэлемент полнее мешают фитин, жирный или насыщенный кальцием рацион.

Токсикология

Соединения магния малотоксичны (за исключением солей таких ядовитых кислот, как синильная, азотистоводородная, плавиковая, хромовая).

Биологическая роль

Магний — один из важных биогенных элементов, в значительных количествах содержится в тканях животных и растений (хлорофиллы). Его биологическая роль сформировалась исторически в период зарождения и развития протожизни на нашей планете в связи с тем, что солевой состав морской воды древней Земли был преимущественно хлоридно-магниевый, в отличие от нынешнего — хлоридно-натриевого.

Магний является кофактором многих ферментативных реакций. Магний необходим для превращения креатинфосфата в АТФ — нуклеотид, являющийся универсальным поставщиком энергии в живых клетках организма. Магний необходим на всех этапах синтеза белка. Он участвует в поддержании нормальной функции нервной системы и мышцы сердца, оказывает сосудорасширяющее действие, стимулирует желчеотделение, повышает двигательную активность кишечника, что способствует выведению из организма холестерина.

Усвоению магния мешают наличие фитина и избыток жиров и кальция в пище. Недостаток магния в организме может проявляться по-разному: бессонница, хроническая усталость, остеопороз, артрит, фибромиалгия, мигрень, мышечные судороги и спазмы, сердечная аритмия, запоры, предменструальный синдром (ПМС). При потливости, частом употреблении слабительных и мочегонных, алкоголя, больших психических и физических нагрузках (в первую очередь при стрессах и у спортсменов) потребность в магнии увеличивается.

Более всего магния содержится в пшеничных отрубях, тыквенных семечках, какао-порошке. К пище, богатой магнием относят также кунжут, отруби, орехи. Однако обилие фитина в этих продуктах делает его малодоступным для усвоения, поэтому только зелёные овощи могут служить надёжным источником магния. Магния совсем мало в хлебе, молочных, мясных и других повседневных продуктах питания современного человека. Суточная норма магния — порядка 300 мг для женщин и 400 мг для мужчин (предполагается, что всасывается около 30 % магния).

При употреблении витаминно-минеральных комплексов, содержащих магний, необходимо помнить, что при чрезмерном его потреблении возможна передозировка, сопровождающаяся снижением артериального давления, тошнотой, рвотой, угнетением центральной нервной системы, снижением рефлексов, изменениями на электрокардиограмме, угнетением дыхания, комой, остановкой сердца, параличом дыхания, анурическим синдромом.

Также следует соблюдать осторожность при приеме магния людям с почечной недостаточностью.

Питание

Магнием насыщены порошковое какао, отруби, орехи, тыквенные семечки. Однако усваивать элемент мешает изобилие в них фитина.

Кладезем магния диетологи считают зеленые овощи. Это капуста, огурцы, горошек, спаржа, сельдерей, лук, шпинат, петрушка.

Последствия дефицита или избытка вещества

Симптомы дефицита магния:

Магний в организмах

Магний содержится во всех растениях и животных. Вещество концентрируется в некоторых морских организмах. Максимальное количество металлического элемента содержится в известковых губках — до 4%.

Входит этот реагент и в состав хлорофилла зелёных растений. В общей сложности на их долю приходится 100 миллиардов тонн вещества. Учёные обнаружили магний во всех компонентах, необходимых клеткам живых организмов для существования. Этот элемент запускает многие ферменты и позволяет хромосомам и коллоидным системам растений сохранять стабильность. Кроме того, реагент поддерживает в клетках тургорное давление. Благодаря магнию растения лучше поглощают и усваивают находящийся в земле фосфор.

Люди и животные получают металлический элемент с пищей. Суточная норма потребления для человека составляет от 0,3 до 0,5 г. У детей и беременных женщин потребность в веществе несколько выше. У здорового человека в крови должно содержаться около 4,3 мг/% магния. В организме основным потребителем реагента является печень, но большая часть поглощённого ею металла постепенно переходит в кости и мышцы.