Магний

Mg

  МАГНИЙ

План:

            1.   Характеристика элемента.

            2.   Получение магния.

            3.   Свойства магния.

3.1. Физические свойства магния.

3.2. Химические свойства магния.

4.   Соединения магния.

4.1. Неорганические соединения

            4.2. Магнийорганические соединения

            5.   Природные соединения магния

            6.   Определение магния в почвах, в воде

            7.   Биологическое значение магния

            8.   Области применения магния

            9.   Жесткость воды

10.               Практическая работа «Определение жесткости воды»

1. Характеристика элемента

Название «магнезия» встречается уже в III веке н.э., хотя не вполне ясно, какое вещество оно обозначает. Долгое время магнезит - карбонат магния - ошибочно отождествляли с известняком - карбонатом кальция. Слово магнезия происходит от названия одного из Греческих городов - Магнесии. До XVIII века соединения магния считали разновидностями кальциевых или натриевых солей. Открытию магния способствовало изучение состава минеральных вод. В 1695 году английский врач Крю сообщил, что им выделена из воды эпсомского минерального источника соль, обладающая лечебными свойствами, и вскоре был доказан её индивидуальный характер. Затем стали известны и другие соединения магния. Карбонат магния получил название "белая магнезия", в отличие от «чёрной магнезии» - оксида марганца. Отсюда и созвучие названий металлов, выделенных впоследствии из этих соединений.

Впервые магний был получен Деви (XIX в.) из окиси магния. Бюсси, Либих, Девильс, Карон и др получали магний действием паров калия или натрия на хлористый магний.

В 1808 г. английский химик Г. Деви электролизом увлажнённой смеси магнезии и оксида ртути получил амальгаму неизвестного металла, которому и дал название "магнезии", сохранившееся до сих пор во многих странах. В России с 1831 года принято название "магний". В 1829 г. Французский химик А. Бюсси получил магний, восстанавливая его расплавленный хлорид калием. Следующий шаг к промышленному получению сделал М. Фарадей. В 1830 г. он впервые получил магний электролизом расплавленного хлористого магния.

Промышленное производство магния электролитическим способом предпринято в Германии в конце XIX в. Перед второй мировой войной началось освоение термических способов получения магния.

В настоящее время наряду с развитием электролитического способа совершенствуются силикотермический и карботермический способы получения магния. На первой стадии развития магниевой промышленности в качестве сырья применяли хлористые соли карналлит, природные рассолы, хлоромагниевые щёлочи калийной промышленности.

Сейчас наряду с хлористыми солями широко используют доломит и магнезит. Большой интерес представляет применение в качестве сырья для производства магния из морской воды. В России электролитический метод получения магния впервые разработал П.П. Федотьев в 1914 г. в Петроградском политехническом институте. В 1931 г. в Ленинграде вступил в строй первый опытный магниевый завод. Промышленное производство магния в СССР начато в 1935 г.

+12Mg )))  1S2  2S2     2P6       3S2  3P0 –электронная формула нормального атома

     282  

При затрате необходимой энергии один из электронов переходит в P-состояние, т.е. оба электрона становятся неспаренными. Поэтому магний проявляет степень окисления +2.

3S2-валентные электроны

1S2     2S2     2P6       3S1         3P1

                                        - электронная формула возбуждённого атома

+12Mg +P12,n012

                   e12

Строение внешней электронной оболочки магния, обладающей структурой 3S2, с двумя слабо связанными электронами объясняет восстановительный характер типичных реакций, в которых магний переходит в двухвалентный катион Mg2+. Благодаря большому химическому сродству к кислороду, магний способен отнимать кислород у многих окислов и хлор у хлоридов. Это свойство в последнее время используется при магниетермическом получении титана, циркония, урана. При комнатной температуре на воздухе компактный магний химически стоек.  На его поверхности образуется окисная пленка, предох­раняющая от окисления. При нагревании химическая активность магния воз­растает. Считается, что верхний температурный предел устойчивости магния в кислороде находится в интервале 350-400 оС.  Кипящую воду магний разлагает с выделением водорода. 

На магний не оказывает заметного действия  дис­тиллированная вода,  фтористоводородная  кислота  любой  концентрации, хромовая кислота,  водные растворы фтористых солей  и  др. 

Разрушающее действие оказывает на  магний морская и минеральная вода,  водные растворы соля­ной, серной, азотной, фосфорной, кремнефтористоводородной кислот, вод­ные растворы галоидных солей,  сернистых соединений, аммиак и его вод­ные растворы,  органические кислоты, гликоли и гликолевые смеси, многи альдегиды.

Магний - один из самых распространенных в земной  коре  элементов,  по распространенности занимает  шестое  место  после кислорода,  кремния, алюминия, железа и кальция.  Содержание магния в литосфере, по А.П. Ви­ноградову, сотавляет 2,10%. В природе магний встречается исключительно в виде соединений и входит в состав многих минералов:  карбонатов, си­ликатов и др.  Важнейшими являются следующие из них: магнезит MgCO3, доломит MgCO3*CaCO3,  карналлит MgCl2*KCL*6H2O,  бруцит Mg(OH)2, кизерит MgSO4,   эпсонит  MgSO4*7H2O,  каинит  MgSO4*KCl*3H2O,  оливин (Mg,Fe)2 [SiO4], серпентин H4Mg3Si2O9.

Природный или естественный маг­ний представляет  собой  смесь  трех устойчивых изотопов 24Mg -78,6 %, 25Mg -10,1 %, 26Mg -11,3 %.

В реакциях  магний  практически  всегда проявляет степень окисления +2 (валентность II).  Для того,  чтобы перевести атом магния из состояния 3S2 в  реакционноспособное  состояние  3S13P1,  нужно  затратить 259 КДж/моль, а при последовательном отрыве электронов,  т.е. ионизации Mg до Mg+ и Mg+2,  требуется соответственно 737 КДж/моль и 1450 КДж/моль. Магний кристаллизуется в гексагональную плотноупакованную решетку.

2. ПОЛУЧЕНИЕ МАГНИЯ.

Преобладающий промышленный способ получения магния - электролиз расплава смеси MgCl2

MgCl2   Mg2+ 2Cl-

К  -)   А  +)

Mg2+ +2e Mg0   2Cl- -2e Cl20

         ЭЛ-3

2MgCl2         2Mg + 2Cl2

       расплава

в безводных MgCl2, KCl, NaCl. Для получения расплава исполь­зуют обезвоженный карналлит или бимофит,  а  также  MgCl2,  полученный хлорированием MgO  или  как  отход  при  производстве Ti.

Температура электролиза 700-720 оС,  аноды графитовые,  катоды стальные. Со­держание MgCl2  в  расплаве  5-8  %,  при снижении концентрации до 4 % уменьшается выход магния по току, при повышении концентрации MgCl2 вы­ше 8 % увеличивается расход электроэнергии. Для обеспечения оптимально­го содержания MgCl2 периодически отбирают часть отработанного электро­лита и  добавляют свежий карналлит или MgCl2.  Жидкий магний всплывает на поверхность электролита, откуда его отбирают вакуумным ковшом. Изв­лекаемый магниевый сырец содержит 0,1%  примесей. Для очистки от неме­таллических примесей магний переплавляют с  флюсами  -  хлоридами  или фторидами K,Ba,Na,Mg. Глубокую очистку осуществляют перегонкой в вакуу­ме, зонной плавкой, электролитическим рафинированием. В результате по­лучают магний чистотой 99,999 %.

Кроме магния при электролизе получают также Cl2. В термических спосо­бах получения  магния  сырьем служит магнезит или доломит,  из которых прокаливанием получают MgO. 2Mg+O2=2MgO. В реторных  или вращающих печах с графитовыми или угольными нагревателями оксид восстанавливают до  металла  кремнием  (силиконотермический способ) или  CaC2  (карбидотермический способ) при 1280-1300 оС, либо углеродом (карботермический способ) при темпратуре выше 2100 оС. В  карботермическом способе (MgO+C  Mg+CO) образующуяся смесь CO и паров магния быстро охлаждают при выходе из печи инертным газом  для предотвращения обратной реакции с магнием.

3. СВОЙСТВА МАГНИЯ.

3.1. Физические свойства магния.

Магний -  серебристо-белый  блестящий  металл,  сравнительно  мягкий и пластичный, хороший проводник тепла и электричества.  Почти  в  5  раз легче меди,  в 4,5 раза легче железа; даже алюминий в 1,5 раза тяжелее магния. Плавится магний при темпратуре 651 оС,  но в обычных усло­виях расплавить его довольно трудно: нагретый на воздухе до 550 оС он вспыхивает и мгновенно сгорает ослепительно ярким пламенем. По­лоску магниевой фольги легко поджечь обыкновенной спичкой,  а в атмос­фере хлора магний самовозгорается даже при комнатной  температуре.  При горении магния  выделяется большое количество ультрафиолетовых лучей и тепла - чтобы нагреть стакан ледяной воды до кипения, нужно сжечь все­го 4 г магния.

Магний расположен в главной подгрупп второй группы периодической  сис­темы элементов Д.И. Менделеева. Порядковый номер его - 12, атомный вес - 24,312.  Электронная конфигурация атома магния в невозбужденном сос­тоянии 1S22S2P63S2;  валентными  являются электроны наружного слоя,  в соответствии с этим магний проявляет валентность II.  В тесной связи со строением электронных  оболочек атома магния находится его реакционная способность. Из-за наличия на внешней оболочке только  двух  электронов атом магния  склонен легко отдавать их для получения устойчивой восьми­электронной конфигурации;  поэтому магний в химическом отношении очень активен.

На воздухе магний окисляется,  но образующаяся при этом окисная пленка предохраняет металл  от дальнейшего окисления.  Нормальный электронный потенциал магния в кислой среде равен -2,37в,  в щелочной  -  2,69в.  В разбавленных кислотах магний растворяется уже на холоде.  Во фтористо­водородной кислоте нерастворим вследствие образования пленки из  труд­норастворимого в воде фторида MgF2; в концентрированной серной кислоте почти нерастворим.  Магний легко растворяется при  действии  растворов солей аммония. Растворы щелочей на него не действуют. Магний поступает в лаборатории в виде порошка или лент.  Если поджечь магниевю ленту, то она быстро сгорает с ослепительной вспышкой, развивая высокую темпера­туру. Магниевые вспышки применяют в фотографии, в изготовлении освети­тельных ракет.  Температура  кипения  магния 1107 оС,  плотность = 1,74 г/см3, радиус атома 1,60 НМ.

3.2. Химические свойства магния.

Химические свойства магния довольно  своеобразны.  Он  легко  отнимает кислород и хлор у большинства элементов,  не боится едких щелочей, со­ды, керосина,  бензина и минеральных масел.  С холодной  водой  магний почти не взаимодействует,  но при нагревании разлагает ее с выделением водорода. В этом отношении он занимает промежуточное  положение  между бериллием, который вообще с водой не реагирует и кальцием, легко с ней взаимодействующим. Особенно интенсивно идет реакция с  водяным  паром, нагретым выше 380 оС:

                         -2e

Mg0(тв)+H2+O(газ)    Mg+2O(тв)+H20 (газ).

Поскольку продуктом этой реакции является водород  ясно,  что  тушение горящего магния водой недопустимо: может произойти образование гремучей смеси водорода с кислородом и взрыв.  Нельзя потушить горящий магний и углекислым газом:  магний  восстанавливает  его до свободного углерода    -4е

2Mg0 + C+4O2          2Mg+2O+C0,

Прекратить к  горящему  магнию доступ кислорода можно засыпав его пес­ком, хотя и с оксидом кремния (IV) магний взаимодействует,  но со зна­чительно меньшим выделением теплоты:

                              -4е

2Mg0 + Si+4O2=2Mg+2O+Si0

этим и определяется возможность использования песка для тушения  крем­ния. Опасность  возгорания магния при интенсивном нагреве одна из при­чин, по которым его использование как технического материала ограниче­на.

В электрохимическом ряду напряжений магний стоит значительно левее  во­дорода и  активно  реагирует  с разбавленными кислотами с образованием солей. В этих реакциях есть у магния особенности. Он не растворяется во фтороводородной, концентрированной  серной  и в смеси серной и в смеси азотной кислот, растворяющей другие металлы почти столь же эффективно, как "царская водка" (смесь HCl и HNO3). Устойчивость магния к растворе­нию во фтороводородной кислоте объясняется просто:  поверхность  магния покрывается нерастворимой  во  фтороводородной кислоте пленкой фторида магния MgF2.  Устойчивость магния к достаточно концентрированной серной кислоте и смеси ее с азотной кислотой объяснить сложнее, хотя и в этом случае причина кроется в пассивации поверхности  магния.  С  растворами щелочей и  гидроксида аммония магний практически не взаимодействует.  А вот с растворами аммонийных солей реакция хотя и медленно, но происхо­дит:

2NH+4+Mg=Mg2+ + 2NH3   + H2

Удивительного в этой реакции нет. Эта реакция та же по существу, что и реакция вытеснения металлами водорода из кислот.  В одном из определе­ний кислотой называют вещество,  диссоциирующее с  образованием  ионов водорода. Именно так может диссоциировать и ион NH4:

NH4+      NH3+H+

Реакция же

                                                                                 -2e

Mg0 + 2HCl=Mg+2Cl2+H02

2H++Mg    Mg2+ + H02

При нагревании магния в атмосфере галогенов происходит воспламенение и образование галоидных солей.

             -2e

          Mg + Cl20    Mg+2+Cl2-

 Причина воспламенения -  очень  большое тепловыделение, как и в случае реакции магния с  кислородом.  Так  при образовании 1  моль  хлорида  магния  из магния и хлора выделяется 642 КДж. При нагревании магний соединяется  с  серой  (MgS),  и  с  азотом (Mg3N2). При повышенном давлении и нагревании с водородом магний обра­зует гидрид магния

                         -2e

Mg0 + H20    Mg+2H2-.

Большое сродство магния к хлору позволило создать новое металлургичес­кое производство - "магниетермию" - получение  металлов  в  результате реакции

MeCln+0,5nMg=Me+0,5nMgCl2

этим методом получают металлы,  играющие очень важную роль в современ­ной технике - цирконий,  хром,  торий, бериллий. Легкий и прочный "ме­талл космической эры" - титан практически весь получают таким способом.

Сущность производства сводится к следующему:  при получении  металли­ческого магния  электролизом расплава хлорида магния в качестве побоч­ного продукта образуется хлор. Этот хлор используют для получения хло­рида титана (IV) TiCl4,  который магнием восстанавливается до металли­ческого титана

                             -4e

Ti+4Cl4 + 2Mg0    Ti0+2Mg+2Cl2

Образовавшийся хлорид магния вновь используется для производства  маг­ния и т.д.  На основе этих реакций работают титаномагниевые комбинаты. Попутно с титаном и магнием получают при этом и другие  продукты,  та­кие, как бертолетову соль KClO3, хлор, бром и изделия - фибролитовые и ксилитовые плиты,  о которых будет сказано ниже.  В таком  комплексном производстве степень использования сырья,  рентабельность производства высока, а масса отходов не велика, что особенно важно для охраны окру­жающей среды от загрязнений.

Страницы: 1, 2, 3