Магний — полная характеристика элемента

Mg или магний — это химический элемент, находящийся во второй группе периодической таблицы, с атомным номером 12 и соответствующим порядковым номером в периодической таблице. Как щелочноземельный элемент, магний классифицируется как металл.
Атомная структура магния включает три стабильных изотопа ²⁴Mg (78,60%), ²⁵Mg (10,11%) и ²⁶Mg (11,29%).

Атомная масса магния 24,305. Магний и магнезиум являются эквивалентными терминами; магнезиум — это просто латинское название этого элемента.

Первоначально магний был обнаружен в 1625 году в составе соли Эпсома (также известной как соль Эпсона), однако только в 1809 году английский химик Хамфри Дэви успешно получил чистый магний в процессе электролиза и таким образом назвал этот элемент.

Свойства магния

Перечислим основные свойства магния:

• Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов для природной смеси изотопов 5,9 ·10^-20 м².
• Конфигурация внешней электронной оболочки 3s².

  

• Степень окисления +2, очень редко +1.
• Энергии ионизации Mg⁰→ Mg⁺ → Mg²⁺ равны соотв. 7,64607 и 15,0353 эВ.
• Электроотрицательность по Полингу 1,2.
• Сродство к электрону -0,22 эВ.
• Атомный радиус 0,160 нм.
• Ионные радиусы для Mg²⁺ (в скобках указаны координационные числа) 0,071 нм (4), 0,08 нм (5), 0,086 нм (6), 0,103 нм (8).

Магний в природе

Содержание магния в земной коре 2,35% по массе. Встречается в природе только в виде соединений. Известно более 100 минералов, содержащих магний.

Большинство из них — силикаты и алюмосиликаты, например оливин (Mg,Fe)2[SiO₄], серпентин Mg₆(OH)₈[Si₄O₁₀].

Образуют залежи промышленного значения главным образом:

• магнезит MgCO₃,
• доломит CaMg(CO₃)₂
• асбест,
• бишофит MgCl_2·6H₂O,
• карналлит KCl·MgCl₂·6H₂O,
• кизерит MgSO₄·H₂O,
• эпсомит MgSO₄·7H₂O,
• каинит KCl·MgSO₄·3H₂O,
• астраханит Na₂SO·MgSO₄·4H₂O.

Запасы хлоридных калийно-магниевых солей сосредоточены в различных странах, таких как Россия, Германия, Испания, США. С другой стороны, карбонатные минералы встречаются в Чехии, Китае, Австрии, Греции и других странах. Природные рассолы и морская вода являются источниками магния.

Магний является важным компонентом молекулы хлорофилла, и его всегда можно найти в растениях.

Физические характеристики магния

Магний представляет собой серебристо-белый металл с гексагональной кристаллической решеткой с пространственной группой P63/tts. Параметры решетки: a = 0,3210 нм, c = 0,5200 нм, z = 2.

Температура плавления магния 650°С, а его температура кипения 1105°С. Плотность магния составляет 1,74 г/см³ при 20°С и 1,54 г/см³ при 700°С. Теплоемкость магния 24,90 Дж/(моль·К), теплота плавления 8,5 кДж/моль при 923 К. Магний имеет энтропию 32,68 Дж/(моль·К).

Уравнения температурной зависимости давления паров над твердым и жидким магнием имеют вид:

lgp(мм рт. ст.) = 9,7124 — 7753,5/T — 2,453·10^-4T — 0,2293 lgT (298-1390 К),
lgр(мм рт. ст.) = 16,7974 — 7844,2/T + 2,548·10^-4T — 2,7280 lgT (407-1390 К).

• Коэффициент линейного расширения магния α = 25,0.10-6 + 0,0188 t °С^-1 (0 — 550 °С).
• Теплопроводность 155 Вт/(м·К).
• Удельное сопротивление магния 4,49·10^-8 Ом·м

Взаимодействие магния с различными веществами

Поверхность магния обычно защищена прочной пленкой оксида магния, MgO, и только при нагревании на воздухе примерно до 600°C эта пленка разрушается, в результате чего металл сгорает с ослепительно белым пламенем, образуя MgO и нитрид Mg₃N₂. Магний не реагирует с холодной водой, но вытесняет H₂ из кипящей воды, создавая гидроксид магния Mg(OH)₂. Степень окисления магния в оксиде магния составляет +2, что является высшей степенью в соответствии с его положением в периодической таблице.

Аналогично ведет себя магний при воздействии растворов солей аммония. Интенсивно реагирует с разбавленными кислотами при комнатной температуре, но в холодных концентрированных H₂SO₄ и HNO₃ не реагирует. Кроме того, за счет образования защитной пленки MgF₂ магний непроницаем для HF и плавиковой кислоты.

Магний соединяется с галогенами с образованием галогенидов магния MgX₂.

Гидрид магния

В условиях температуры 570°С и давления ~20 МПа гидрид магния (MgH₂) образуется в присутствии MgI₂ и представляет собой кристаллы серого цвета с решеткой типа рутила. Это соединение имеет плотность 1,45 г/см3, стабильно на воздухе, медленно реагирует с водой с образованием Mg(OH)₂ и H₂ и разлагается на свои элементы при температуре выше 280°C. Кроме того, гидрид магния можно получить в виде бесцветного твердого вещества в результате реакции алкилов магния с LiH, который воспламеняется на воздухе и бурно реагирует с водой.

Нитрит магния

В интервале температур 780-800°С магний реагирует с N2 с образованием нитрита магния (Mg₃N₂), который представляет собой желтоватые кристаллы с кубической решеткой типа Mn₂O₃ (α-форма) и плотностью 2,71 г/см³. При 550°С а-форма переходит в β-форму, которая затем переходит в γ-модификацию при 778°С. При контакте с водой нитрид магния реагирует с образованием Mg(OH)₂ и NH₃. Другим способом получения нитрида магния является взаимодействие сухого NH₃ с магнием при температуре 600°С.

Халькогениды

Халькогениды образуются при нагревании магния с S, Se или Te с образованием бесцветных кристаллов, которые гидролизуются водой. Сульфид MgS образует кристаллы кубической решетки с твердостью плавления около 2200°С, плотностью 2,86 г/см3, теплоемкостью 45,6 Дж/(моль К), температурой плавления -348 кДж/моль и энтропией 50,3 Дж/моль. (моль К). Сульфид также можно получить нагреванием магния с H₂S.

Бориды

Когда магний нагревается с бором, он образует темно-коричневые твердые вещества, такие как бориды MgB₂, MgB₄, MgB₆, MgB₁₂.

MgB₂ медленно реагирует с водой и бурно реагирует с разбавленными кислотами с образованием боргидридов. Бориды с более высокими концентрациями бора не реагируют с разбавленными кислотами при комнатной температуре.

Карбиды

Магний реагирует с углеродом с образованием карбидов, таких как MgC₂ и MgC₃. Эти карбиды реагируют с водой с образованием C₂H₂ и смесей углеводородов, в которых преобладает аллен C₃H₄.

Силицид

С кремнием магний образует силицид Mg₂Si (температура плавления 1102°C), который разлагается водой с выделением SiH₄ и других силанов.

Взаимодействие с металлами

Магний образует интерметаллиды со многими металлами. Восстанавливает CO₂, B₂O₃, SiO₂, галогениды металлов до соответствующего элемента.

Соли магния

Соли магния получают взаимодействием кислот или соответствующих им оксидов с MgO, действием разбавленных кислот на металлический магний и обменными реакциями. Многие соли хорошо растворимы в воде с небольшим гидролизом и образуют кристаллогидраты. В водных растворах ион Mg2+ существует в виде аквакомплекса [Mg(H2O)6]2+.

В неводных растворителях (жидкий NH3) ион Mg2+ образует комплекс с молекулами растворителя. Сольваты солей магния обычно кристаллизуются из таких растворов. Кристаллосольваты разрушаются с образованием аквакомплексов в водной среде. При взаимодействии щелочей с водными растворами солей магния Mg(OH)2 выпадает в осадок.

Получение магния

Преобладающий промышленный способ получения магния — электролиз расплава смеси безводных MgCl₂, KCl и NaCl. Для получения расплава используют обезвоженный карналлит или бишофит, а также MgCl₂, полученный хлорированием MgO или как отход при производстве Ti. Температура электролиза 700-720 °С, аноды графитовые, катоды стальные.

Концентрация MgCl₂ в расплаве обычно составляет 5-8%. Снижение концентрации до 4 % приводит к снижению выхода магния по току, а увеличение концентрации выше 8 % приводит к увеличению расхода электроэнергии.

Для обеспечения оптимального содержания MgCl₂ часть отработанного электролита периодически заменяют свежим карналлитом или MgCl₂.

Жидкий магний поднимается на поверхность электролита и извлекается вакуумным ковшом, в результате чего получается магний-сырец, содержащий 0,1% примесей. Хлориды или фториды K, Ba, Na и Mg используются в качестве флюсов для удаления неметаллических примесей. Вакуумная перегонка, зонная плавка или электролитическое рафинирование используются для глубокой очистки с получением магния чистотой 99,999%.

Помимо магния, при электролизе также образуется Cl₂.

Магнезит или доломит используются в качестве сырья для производства термического магния. MgO получают прокаливанием с последующим восстановлением до металла в ретортных или вращающихся печах с графитовыми или угольными нагревателями. Применяют силикотермический метод, карбидотермический метод или карботермический метод с диапазоном температур от 1280-1300°С до более 2100°С. Карботермический метод (MgO + C → Mg + CO) быстро охлаждает смесь паров СО и магния инертным газом на выходе из печи, чтобы предотвратить обратную реакцию СО с магнием.

Применение

Основным применением магния является производство его сплавов. Магний также используется для легирования сплавов на основе алюминия и других материалов, а также для металлотермического производства различных металлов, таких как титан, уран, цирконий и ванадий.

Кроме того, магний используется для раскисления и десульфурации некоторых металлов и сплавов, а также в синтезе магнийорганических соединений, таких как реактив Гриньяра.

Смеси, содержащие порошок магния и окислители, применяют при приготовлении светотехнических и зажигательных составов. Магний также используется в создании лекарств для устранения недостатка магния в организме.