МАГНИЙ

Английский химик Гемфри Дэви (1778-1829) сидел за своим рабочим столом в лаборатории Лондонского королевского института. Он вспоминал поразившие его слова А. Лавуазье о том, что едкие щелочи и щелочные земли, по всей видимости, вещества сложные. В пользу этого высказывания говорили некоторые экспериментальные работы европейских ученых, в том числе и самого Дэви. Действительно, выделил же он раньше из едкого натра и едкого кали неизвестные ранее металлы - "содий" (натрий) и "потассий" (калий), пропуская через крупные влажные куски едких щелочей сильный электрический ток. Об этом он сообщил 19 ноября 1807 г. в своей лекции, которая после опубликования принесла ему всемирную славу. - Заканчивая ту памятную лекцию, Г. Дэви пытался заглянуть в будущее и смело прогнозировал: "Барит и стронциан (BaO и SrO) из всех земель ближе всего стоят к щелочам; но можно провести аналогию и дальше - через известь, магнезию, берилловую землю (ВеО), глинозем, вплоть до кремнезема. Можно надеяться, что, пользуясь в подходящих условиях достаточно мощными батареями... удастся разложить даже и эти огнеупорные тела".

Однако первые попытки разложить тем же путем щелочные земли и магнезию не увенчались успехом... Неужели А. Лавуазье ошибся? Не может этого быть! И Г. Дэви пошел на хитрость. Он решил несколько усложнить эксперимент, чтобы еще увереннее получить столь нужный ему результат. Он стал пропускать ток от сильной гальванической батареи через смесь влажных (чтобы повысить их электрическую проводимость) гидрооксидов бария, стронция, кальция и магния с оксидом ртути. При этом в качестве анода он использовал железную проволоку, а в качестве катода - каплю ртути. Таким образом он получил в 1808 г. амальгамы (сплавы со ртутью) всех этих четырех металлов. И все-таки в чистом виде их получили другие ученые! В частности, магний выделил французский химик Антуан Бюсси (1794-1882), нагревая хлорид магния с калием в запаянной стеклянной трубке. А вот расплавленный хлорид магния впервые разложили электролизом М. Фарадей и Р. Бунзен в 1851 г., что положило начало промышленному получению магния. Что же мы знаем о магнии сегодня?

Магний - элемент II группы периодической системы Д. И. Менделеева; порядковый номер 12; относительная атомная масса 24,312. Это легкий (плотность 1,74 г/см3) серебристо-белый металл с температурой плавления 651° С. На воздухе загорается при температуре 550° С и горит яркобелым пламенем. Если полоску магния внести во влажный хлор, то она воспламенится даже при обычной температуре. Горение магния сопровождается выделением большого количества теплоты (605 кДж/моль).

В лабораторных условиях магний хранят в средах, не содержащих в свободном состоянии кислород и хлор, таких, как бензин и минеральные масла. При хранении в обычных условиях магний сравнительно быстро окисляется, покрываясь тончайшей пленкой. Эта пленка оксида, придавая металлу красивый матовый оттенок, предохраняет его от дальнейшего окисления.

Химические свойства магния определяются наличием двух электронов на наружной электронной оболочке его атома. Поэтому наиболее характерны для магния реакции восстановления, в которых он окисляется, переходя в ион Mg+2.

Магний почти не реагирует с чистой холодной водой, но из кипящей воды он энергично вытесняет водород. С увеличением количества примесей в воде резко повышается способность магния образовывать растворимые соединения. Поэтому он довольно быстро растворяется как в морской, так и в минеральной воде.

Практически неисчерпаем запас магния, хранимый в воде Мирового океана. Действительно, в каждом кубометре морской воды содержится около 4 кг магния, а всего в водах Мирового океана растворено более 6 o 1016 т этого металла! Однако и Земля богата магнием - каждый пятидесятый атом земной коры - атом магния.

Лишь 6 элементов - кислород, кремний, алюминий, железо, кальций и калий - встречаются на Земле чаще магния. Эта значительная распространенность магния позволяет его добывать из камней, которые лежат у нас буквально под ногами. Ведь в 1 кг такого камня почти 1/50 его атомов принадлежит магнию, т. е. около 20 г. Но в промышленности используют другие, более простые и дешевые способы получения магния.

В настоящее время геологам известно свыше 200 минералов, в состав которых входит магний. Но промышленную ценность представляют лишь немногие из них, прежде всего доломит, карналлит, магнезит и асбест.

Самый распространенный из магнийсодержащих минералов - доломит представляет собой породообразующий минерал белого, сероватого или другого цвета. По своему химическому составу это почти чистый карбонат кальция и магния СаMg(СО3)2. Кроме производства магния, доломит применяется также в качестве огнеупорного материала и флюса в металлургии и химической промышленности, стекольном производстве и других областях промышленности. На территории СССР доломиты встречаются в Донбассе, Московской и Ленинградской областях и во многих других местах.

Карналлит представляет собой бесцветный, бурый или красный (цвет зависит от наличия примесей) минерал, формула которого
KCl * MgCl₂ * 6Н₂О. Он применяется в качестве сырья для получения металлического магния и хлора, а также в качестве удобрения (преимущественно для подзолистых почв). Крупнейшее в мире месторождение карналлита находится в районе города Соликамска (Свердловская область).

Магнезит (впервые обнаружен в районе греческого города Магнезии) является почти чистым карбонатом магния МgСO₃. Цвет этого минерала разнообразен: снежно-белый, бесцветный, прозрачный магнезит, находят также серовато-бурые и желтоватые образцы. 90% добываемого магнезита используется в качестве огнеупорного материала для производства жженого магнезита (технический MgО), магнезитового и хромомагнезитового кирпича. Месторождения магнезита встречаются на Среднем Урале (Саткинское) и в Оренбургской области (Халиловское).

Из других магнийсодержащих минералов, которые видел каждый, можно назвать "горный лен" - асбест. В его состав наряду с кремнием, кислородом, железом и другими элементами входит магний. Потребности промышленности в- асбесте велики. Есть опыт производства искусственного асбеста, который не уступает природному, а подчас и лучше его. При этом интересно то, что в искусственном асбесте магний можно заменять барием, железом, никелем и кобальтом. Это показали сотрудники лаборатории синтеза минеральных полимеров Института химии силикатов АН СССР во главе с профессором. А. Д. Федосеевым.

В природе имеется много других минералов, содержащих значительное количество магния. Упомянем лишь сульфат магния MgSО₄* 7Н₂О, встречающийся в Соликамском и Штасфуртском калийных месторождениях. Это вещество употребляют в качестве утяжелителя хлопка и шелка как протраву при крашении тканей, в качестве наполнителя бумаги, для пропитки любых материалов с целью уменьшить их горючесть, наконец, как удобрение.

Теперь, когда мы рассказали об основных магнийсодержащих минералах, можно перейти к рассмотрению процессов промышленного получения магния. Важнейшим промышленным методом получения металлического магния является электролиз расплавленного безводного хлорида магния MgCl₂. Для понижения температуры процесса (обусловлена точкой плавления соли) добавляют хлориды щелочных металлов. В качестве катода используют железный сердечник - сюда устремляются катионы магния, а на графитном аноде в процессе электролиза непрерывно выделяется хлор. Электролиз ведется в специальных ваннах-электролизерах, расплавленный магний разливают в формы с помощью вакуум-ковшей.

Для очистки полученного металла используют либо его переплавку с флюсом, либо возгонку в вакууме. При переплавке кипящие флюсы захватывают примеси, переводя их в шлаки, которые уже легко отделяются от металла. Возгонка - более сложный процесс, позволяет получить химически чистый магний (99,99-процентный магний). Для этого металл нагревают в специальных вакуум-аппаратах, которые неравномерно разогреты. В них магний переходит из твердого в парообразное состояние. Пар оседает на более холодных стенках вакуум-аппарата.

Первыми "нашли" применение магнию зеленые растения. В самом деле, магний входит в состав хлорофилла, который o преобразует солнечную энергию, делая ее доступной для других живых существ. Образуемые с помощью хлорофилла органические вещества (сахар, крахмал) необходимы для питания человека и животных. Это означает, что магний является элементом жизни.

Потребность растений в магнии неодинакова. Все корнеплоды - картофель, столовая и кормовая свекла и другие овощи - являются важными потребителями магния, так же как и бобовые растения - клевер, люцерна, люпин. Но вот хлебным злакам - ржи, овсу, пшенице - магния нужно меньше. В хлорофилле содержится от 2 до 3% магния, а общее, количество магния в хлорофилле всех растений Земли близко к 100000000000 т!!!

Поэтому магниевые соли давно уже с успехом используют в качестве удобрений: ведь магний активно участвует в процессах фотосинтеза. Прибавка урожая картофеля, обусловленная магниевыми удобрениями, составляет 27-28 ц с 1 га, и это на почвах с бедными суглинками.

В почву можно вносить, как показывает практика, измельченные природные минералы магния. Но еще лучшие результаты обеспечивают искусственные магниевые удобрения: доломит, аммиачная селитра, дунитовый суперфосфат, плавленый фосфат магния и др.

Входит магний и в состав организма человека. Так, магний найден в крови (врачи хорошо знают, что переутомление чаще всего вызвано снижением количества магния в крови человека), в зубах и в мозгу. Установлено, что фермент, способствующий переносу фосфора в нашем организме, содержит магний. С течением времени сложные молекулы ферментов неизбежно разрушаются. Поэтому в живом организме должны непрерывно создаваться новые ферментные молекулы. Отсюда вытекает постоянная потребность организма в магнии.

Любопытно привести некоторые числа. Так, в организме человека содержится около 80 г железа, 150 г натрия, 1000 г кальция и около 60 г магния. Медики давно уже обратили внимание на лечебные свойства магниевых препаратов. Действительно, уже знакомый нам сульфат магния при приеме внутрь оказывает слабительное действие. Для борьбы с судорожными состояниями (например, при столбняке или отравлении) применяют внутримышечные инъекции сульфата магния. Другой магниевый медицинский препарат - карбонат магния М^СО3 - рекомендуется для приема внутрь при повышенной кислотности желудочного сока, а также при изжоге. Это вещество используют в качестве присыпки, входит оно и в состав зубного порошка. В качестве внутривенных вливаний при ожогах и кожных заболеваниях используют 5-10%-ные водные растворы тиосульфата магния Мд5203 o 6Н2О. Дезинфицирующим средством при желудочных расстройствах является перок'сид магния.

Потребность в магнии у взрослого человека составляет в сутки приблизительно 10 мг на 1 кг его массы. В быстрорастущем организме ребенка при увеличении массы тела на 1 кг задерживается 25 мг магния.

Но многие загадки магния в живом организме еще не разгаданы учеными. Для их разрешения ученые проводят сложные и интересные опыты. Оказалось, например, что собаки, в пище которых недостает магния, заболевали инфарктом миокарД3-Избыток в пище коров кальция и магния приводит к появлению потомства женского пола. Давно уже выяснено, что скорлупа куриных яиц тем прочнее, чем больше в пище несушек магния.

Широкое применение находит магний и его соединения во всех отраслях народного хозяйства.
Оксид магния, например, идет на изготовление термостойкого кирпича, строительных блоков, сталеразливочных станков и т. п. Благодаря тугоплавкости и стойкости к действию основных щлаков в металлургии незаменимы магнезитовые упоры. Температура плавления обожженного магнезита (периклаз) близка к 2800° С. Поэтому периклаз применяется как материал для огнеупорных подов и стенок мартеновских и электроплавильных печей, конвертеров цветной металлургии.

Слабо обожженный оксид магния в концентрированном растворе хлорида магния является отличным вяжущим средством. Магнезиальный цемент обладает высокой прочностью и имеет надежное плотное сцепление со всеми видами заполнителей. Из него изготавливают лестничные ступени, подоконники, облицовочные плитки, незаменим он при производстве полов, а также различных архитектурно-декоративных деталей. Так, многие мощные колонны, поддерживающие купола дворцов, художественно оформленные пилястры, притягивающие взоры кариатиды - мускулистые Гераклы и задумчивые Венеры - также выполнены из магнезиального цемента. Изготавливаются из него и термоизоляционные материалы (фибролит, ксилолитовая плитка и др.), и искусственные жернова, и замечательные по крепости абразивы, и-магнезитовые штукатурки, и многое, многое другое, надежно служащее нам в повседневной жизни.

Мартеновская печь, выложенная обычным огнеупорным кирпичом и охлаждаемая воздушным потоком, выдерживает до девяти плавок, а вот термостойкий кирпич значительно удлиняет срок службы такой печи. В ней можно провести уже свыше 100 плавок. Еще большей теплостойкостью обладают изделия из плавленого магнезита, получаемые электроплавкой, но, к сожалению, эти огнеупоры пока еще дороги.

Для сушки различных газов и жидкостей широко применяют ангидрон. По химическому составу это вещество представляет собой чистый перхлорат магния.

Водные растворы хлорида магния применяют в производстве магнезиального цемента, ксилолита № других искусственных материалов. С помощью электролиза из расплава безводного хлорида магния получают металлический магний.

Применяют магний и в металлотермии: с его помощью получают титан, уран и др.

Добрую службу служит горный лен -- асбест - пожарникам и электрикам. Из асбестовых волокон ткут несгораемые ткани а из этих тканей шьют спецодежду для тех, кто работает с огнем, - пожарников, металлургов, доменщиков и др.

Помимо большой жаростойкости, асбест обладает свойствами превосходного электроизолятора. Именно это его качество наряду с дешевизной обусловило широкое применение асбеста в узлах электрических машин, бытовых электронагревательных приборах - утюгах, электронагревателях, паяльниках и т. д Но асбест весьма непрочен. Поэтому часто в качестве изолятора применяют керамические кольца или прокладки из слюды, которые в отличие от асбеста прочны.

Оксид магния применяют в радиоэлектронике. Новые модели приемников с магниевым покрытием катода радиоламп начинают работать сразу после включения, и не надо ждать, пока прогреются радиолампы.

В химическую промышленность приходят магнийорганические соединения, которые позволяют получать разнообразные полезные вещества - от аналитических реактивов до ингибиторов коррозии, от важнейших лекарств до теплостойких полимерных покрытий. В органической химии используется магниевый порошок для обезвоживания анилина и спирта.

Есть еще одна область, где магний незаменим. Это производство прочных сверхлегких сплавов, которые нашли широчайшее применение в авиации. Прочная и легкая серебристая обшивка из магниевых сплавов современных воздушных лайнеров и стремительных сверхзвуковых реактивных самолетов знакома каждому.

Магниевые сплавы используют также при изготовлении корпусов автобусов, вагонов и легковых автомобилей, объективов оптических инструментов (линзодержатели), фото- и киноаппаратов, биноклей, деталей моторов, отбойных молотков, пневмобуров, баков для бензина и масел, переносных электроизмерительных приборов и др.

Состав этих сплавов, кроме магния, включает в себя алюминий, цинк, марганец. Каждый элемент выполняет в сплаве строго определенные функции: магний придает сплаву легкость, алюминий и цинк - прочность, марганец в свою очередь повышает антикоррозийную стойкость сплава в целом. Легко представить себе, как велика экономия топлива только в авиации, если учесть, что детали из магниевых сплавов на 20-30% легче алюминиевых и на 50-75% легче стальных. Ряд элементов (литий, бериллий, кальций, церий, кадмий, титан и др.) способны значительно улучшить магниевые сплавы. Добавки этих металлов повышают пластичность и жаропрочность сплава, а также его устойчивость против окисления. Ухудшить свойства магниевых сплавов могут только три элемента: железо, кремний и никель, поэтому эти элементы тщательно удаляют -на всех стадиях выплавки магниевых сплавов.

В начале нашего столетия на страницах многих иллюстрированных журналов можно было прочесть рекламные объявления, предлагавшие использовать "магниевые вспышки" как "надежное и абсолютно эффективное средство для фотографических съемок в вечернее и ночное время". Они осуществлялись в небольшой камере, в которую засыпали смесь магниевого порошка и бертолетовой соли. Достаточно было поднести к камере зажженную спичку, как смесь воспламенялась и мгновенно сгорала с ослепительным белым светом, пугая дам и вызывая восторг ребятишек.

Это свойство магния гореть в среде окислителя с выделением больших количеств тепловой и световой энергии использовалось в войнах последнего времени. Лопались в воздухе картонные обшивки, и медленно спускались на маленьких парашютах огни осветительных и сигнальных магниевых ракет. Летели во вражеские окопы трассирующие пули и снаряды, помогая в ночных условиях проводить точное прицеливание. Поднимались столбы черного дыма над мирными городами и селами от действия зажигательных бомб с магниевой начинкой. Магний сеял смерть.

С течением времени магний вытеснялся новыми, все более разрушительными видами оружия. Зато мирное использование этого элемента все более и более расширялось, и можно было быть уверенным, что магний будет только "мирным" элементом.

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.

Магний – один из самых распространенных в земной коре элементов, он занимает 4 место после кислорода, кремния, алюминия.  В природе магний встречается только в виде соединений. Входит в состав многих минералов: карбонатов, силикатов и др.

Металлический магний имеет важное значение для народного хозяйства.

Используется при изготовлении сверхлегких сплавов для авиационной и ракетной техники, как легирующий компонент в алюминиевых сплавах.

Другие соединения магния – окись, карбонат, сульфат и т.п. – совершенно необходимы при изготовлении огнеупорных материалов, цементов и прочих строительных материалов.

При комнатной температуре на воздухе 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  350-400ºС.