История и происхождение названия
В 1808 г. английский химик Г. Дэви электролизом увлажненной 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 г. 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, впервые осуществивший электролиз расплава хлорида магния.
Нахождение в природе
Минералы, в состав которых входит магний, использовались человеком начиная с каменного века. Зеленый, смешанный магниево-кальциевый минерал состава 2CaO*5ЭО-H2О-8SiО2 (Э — обозначает переменное количество Mg и Fe) обладает большой «вязкостью», он не растрескивается, не расслаивается при ударе. Из этого-минерала первобытные люди изготовляли первые, примитивные инструменты. Образцы таких найденных в раскопках инструментов можно увидеть во многих музеях. За этим минералом сохранилось название, данное ему врачевателями древности — «нефрит». Считалось, что размолотый порошок нефрита (толочь нефрит не просто из-за его вязкости) помогает при заболеваниях почек. Сегодня нефритовый порошок больным не прописывают; он в лучшем случае безвреден. А изделия из вязкого и хорошо обрабатывающегося нефрита часто можно видеть на прилавках магазинов. Из полупрозрачного нефрита вытачивают кольца и браслеты, вазочки, пепельницы и др. Те, кто побывают в Самарканде, увидят надгробную плиту из нефрита на могиле Тамерлана (Тимура). Другой магниевый минерал — асбест используется издревле для изготовления фитилей (название «асбест» от древнегреческого «асбестос» — немеркнущий). Срок службы фитиля из асбеста был очень велик. Будучи волокнистым материалом, по каналам-порам которого масло за счет капиллярных сил поднималось в зону горения, асбест не сгорал и не подгорал. В отличие от фитилей из хлопка, войлока и других материалов органической природы гореть в асбесте нечему: состав его выражается формулой 3MgO*2H2O*2SiO2. Волокнистость и негорючесть асбеста определили куда более важные области его применения в технике, и особенно в теплотехнике. Пожарник в асбестовом костюме смело проходит через завесу огня. Такие же асбестовые костюмы используют и работающие с расплавленным металлом, и десантники, сражающиеся с лесными пожарами. Среди всех природных материалов мягкостью, несгораемостью, легкостью и малой теплопроводностью обладает лишь асбест.
Широко известен и другой магниевый минерал — тальк, который содержит на каждую частицу Mg вдвое больше оксида кремния (IV) 3MgO*2H2O*2SiO2. Этот минерал называют также «мыльным камнем», стеатитом или, по-русски, «жировиком». Действительно, кусочки этого минерала похожи на кусочки мыла: жирные на ощупь, мягкие и легко разламываются и измельчаются в тончайшую тальковую пудру. Основные количества талька используют как наполнитель в производстве бумаги и резины, а также на основе талька изготовляют пудру, детскую присыпку. Тальком же присыпают поверхность готовых резиновых изделий во избежание их слипания при хранении.
Среди минералов тальк самый мягкий. Существует минералогическая десятичная шкала твердости. В ней твердость талька принята за единицу:
1. Тальк (1)
2. Гипс (1,3)
3. Кальцит (9)
4. Флюорит (25)
5. Апатит (41)
6. Ортоклаз (830)
7. Кварц (1300)
8. Топаз (5100)
9. Корунд (33 000) 10. Алмаз (5000 000)
Твердость от 1 до 10 условных единиц не отражает действительной твердости минералов, которую можно определить физико-механическими методами (ее величины приведены в скобках за названиями минералов). Кальцит не в 3, а в 9 раз тверже талька, а алмаз не в 10, а в 5-106 раз! Но для геологов и минералогов, которым приходится работать в полевых условиях, эта шкала достаточно удобна, чтобы распознать минералы. Цвет большинства минералов не может служить определяющим признаком. Один и тот же по основному составу минерал может быть разными примесями окрашен в различные цвета. Твердость же является таким определяющим признаком. Более твердый минерал будет оставлять след-царапину на поверхности более мягкого.
Получение
Промышленное получение самого магния проводят электролитическим и электротермическим методами. По первому способу расплав хлорида магния помещается в железном резервуаре — реакторе, стенки которого служат катодом. В центре сосуда находится графитовый стержень — анод. Температура плавления хлорида магния (714°С) выше, чем у магния. Выше и плотность жидкого хлорида магния. Выделяющийся на стенках реактора магний всплывает и собирается на поверхности. Для защиты жидкого магния от окисления процесс ведут в атмосфере водорода. Другой способ получения магния электротермический. Прокаливанием природного магнезита получают оксид магния:
MgCO3 = MgO + CO2
Оксид магния смешивают с антрацитом (почти чистым углем), проводящим электрический ток, и в этой смеси зажигают вольтову дугу. Выходящую из электродуговой печи смесь газов магния и оксида углерода (II) разбавляют и быстро охлаждают большим количеством водорода. При охлаждении пары магния конденсируются в виде тонкой пыли, а равновесие не успевает сместиться влево и из-за разбавления, и из-за охлаждения. В другом варианте электротермического метода исходным сырьем является доломит MgCO3*CaCO3, а в печь загружают продукт обжига доломита — смесь MgO и СаО. Восстановителем в этом методе служит кремний, который, так же как и антрацит, проводит ток. Кремний — более сильный восстановитель, чем углерод; в связи с этим процесс получения магния происходит при более низкой температуре 1300—1400°С. Так как образующийся силикат кальция Ca2SiO4 нелетуч, из печи выделяются лишь пары магния. Для предотвращения окисления магния процесс проводят при низком давлении, в условиях технического вакуума. Выбор того или иного способа производства металлического магния определяется доступностью и запасами сырья.
Физические свойства
Из металлов, которые не боятся воздуха и воды, т. е. могут использоваться в технике не только в виде сплавов, но и как таковые, магний — самый легкий. Его плотность 1,74 г/см3, меньше чем бериллия и заметно меньше, чем алюминия (2,7 г/см3)—своего рода эталона легкости среди конструкционных металлов. Подобно бериллию и алюминию поверхность магния довольно быстро покрывается тонкой и плотной защитной пленкой оксида. Во влажном воздухе оксиды бериллия и магния постепенно переходят в соответствующие гидроксиды. По механическим свойствам магний ближе к алюминию, чем к бериллию. Он достаточно пластичен и легко поддается прокатке и ковке. Близок магний к алюминию и по своим термическим свойствам— он плавится при 650°С (А1 — при 660°С). Этим магний значительно отличается от бериллия, который плавится лишь при 1283°С. Заметно уступает магний бериллию и по твердости. Ни магний, ни бериллий, в отличие от алюминия, не представляют интереса для электротехники: их электрическая проводимость всего лишь в 22—23 раза превышает электрическую проводимость самого плохого металлического проводника — ртути.
Химические свойства
При нагреве выше 350°С тонкая оксидная пленка уже не защищает магний от дальнейшего окисления, а вблизи температуры плавления магний загорается:
2Mg + O2 = 2MgO
При его соединении с кислородом выделяется большое количество теплоты — 600 кДж/моль. В результате происходит быстрое повышение температуры и скорости сгорания магния ярким пламенем. По яркости пламени магний уступает только цирконию и танталу. В слитках и массивных изделиях магний не опасен. Из-за неплохой теплопроводности металла из зоны окисления теплота отводится и повышения температуры в зоне окисления не происходит. Если же поджечь порошкообразный магний, имеющий большую поверхность или тонкую магниевую ленту, горение его происходит со вспышкой. Многие годы порошок магния применялся в фотографии («магниевая вспышка»), пока не стали применять электрическую вспышку. А вот в осветительных ракетах, в военной технике и сегодня используют ярко горящий магний. При сгорании магния, кроме оксида магния, образуется и небольшое количество нитрида магния:
3Mg + N2 = Mg3N2.
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 магния с водяным паром, нагретым выше 380°С:
Mg (тв) + Н2O (газ) = MgO (тв) +Н2↑ (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
2Mg + CO2 = 2MgO + C
Прекратить к горящему магнию доступ кислорода можно, засыпав его песком, хотя и с оксидом кремния (IV) магний взаимодействует, но со значительно меньшим выделением теплоты:
2Mg + SiO2 = 2MgO + Si
Этим и определяется возможность использования песка для тушения. Опасность возгорания магния при интенсивном нагреве одна из причин, по которым его использование как технического материала ограничено.
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, в концентрированной серной и в смеси серной и 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:
2NH4+ + Mg = Mg2+ + 2NH3 + Н2↑
Удивительного в этой реакции нет. Эта реакция та же по существу, что и реакция вытеснения металлами водорода из кислот.
При нагревании магния в атмосфере галогенов происходит воспламенение и образование галоидных солей. 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 и с серой (MgS), и с азотом (Mg3N2). При повышенном давлении и нагревании с водородом магний образует гидрид магния MgH2. 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:
TiCl4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2
Образовавшийся хлорид магния вновь используется для производства магния и т. д
Изотопы
Природный магний представляет собой смесь трех изотопов 24Mg—78,6%, 25Mg—10,1%, 26Mg—11,3%.
Применение
Магний применяют в виде металлических пластин при защите от коррозии морских судов и трубопроводов. Защитное действие магниевого «протектора» связано с тем, что из стальной конструкции и магниевого протектора (магний стоит в электрохимическом ряду напряжений левее, чем железо) создается электрическая цепь. Происходит разрушение магниевого протектора; основная же, стальная часть конструкции при этом сохранится. В металлургии магний используют как «раскислнтель»— вещество, связывающее вредные примеси в расплаве железа. Добавка 0,5% магния в чугун сильно повышает ковкость чугуна и его сопротивление на разрыв. Используют магний и при изготовлении некоторых гальванических элементов.
Сплавы магния играют в технике очень важную роль. Существует целое семейство магниевых сплавов с общим названием «электрон». Основу их составляет магний в сочетании с алюминием (10%), цинком (до 5%), марганцем (1—2%)- Малые добавки других металлов придают «электрону» различные ценные свойства. Но главным свойством всех видов «электронов» является их легкость (1,8 г/см3) и прекрасные механические свойства. Их используют в тех отраслях техники, где особенно высоко ценится легкость: в самолето- и ракетостроении. В последние годы созданы новые устойчивые на воздухе магниево-литневые сплавы с совсем малой плотностью (1,35 г/см3). Их использование в технике очень перспективно. Магниевые сплавы ценны не только из-за своей легкости. Их теплоемкость в 2—2,5 раза выше, чем у стали. Аппаратура из магниевых сплавов нагревается меньше стальной. Используют и сплав алюминия с большим содержанием магния (5—30%). Этот сплав «магналит» тверже и прочнее алюминия, легче обрабатывается и полируется. Число металлов, с которыми магний образует сплавы, велико
|