Магний

Магний — это химический элемент 2-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы второй группы), третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 12. Обозначается символом Mg (лат. Magnesium). Простое вещество магний представляет собой лёгкий, ковкий металл серебристо-белого цвета. Является одним из самых распространённых элементов в земной коре (восьмое место по распространённости), а также играет ключевую роль в биохимии живых организмов, входя в состав многих ферментов и являясь центральным атомом молекулы хлорофилла.

История открытия

Соединения магния, такие как магнезия (оксид магния) и эпсомская соль (сульфат магния), были известны человечеству с древних времён. В 1695 году английский врач и ботаник Неемия Грю выделил из минеральной воды в Эпсоме (Англия) горькую соль, обладавшую слабительным действием. В 1755 году шотландский химик Джозеф Блэк, изучая магнезию, установил различие между ней и известью (оксидом кальция), доказав, что это два разных вещества.

Впервые в виде простого вещества магний был получен в 1808 году английским химиком Хамфри Дэви. Он подверг электролизу смесь влажного оксида магния с оксидом ртути, получив амальгаму магния. После отгонки ртути Дэви выделил новый металл, который он назвал «магнием» (от греческого названия города Магнисия в Фессалии). В чистом виде магний был впервые получен в 1828 году французским химиком Антуаном Бюсси, который восстановил хлорид магния калием в парах ртути.

Промышленное производство магния началось во второй половине XIX века. В 1886 году немецкий химик Генрих Грейсхейм разработал электролитический способ получения магния из расплава карналлита. В 1909 году в Германии был запущен первый крупный завод по производству магния. В России промышленное получение магния началось в 1935 году на заводе в городе Березники (Пермская область).

Физические свойства

Магний — лёгкий металл, его плотность составляет 1,738 г/см³ при 20 °C, что примерно в 1,5 раза меньше плотности алюминия. Температура плавления — 650 °C, температура кипения — 1090 °C. Металл обладает достаточно высокой теплопроводностью (156 Вт/(м·К)) и электропроводностью (22,4·10⁶ См/м). Магний парамагнитен.

Чистый магний — ковкий и пластичный металл, хорошо поддающийся механической обработке, прокатке, штамповке, прессованию. Однако при комнатной температуре его пластичность ограничена из-за гексагональной плотноупакованной кристаллической решётки. При нагреве до 200–300 °C пластичность магния значительно возрастает, что позволяет изготавливать из него сложные детали методом горячей штамповки.

Химические свойства

Магний — химически активный металл. На воздухе он покрывается тонкой оксидной плёнкой, которая защищает его от дальнейшего окисления. При нагревании на воздухе магний воспламеняется, сгорая ярким белым пламенем с образованием оксида магния (MgO) и нитрида магния (Mg₃N₂). Реакция горения магния сопровождается выделением большого количества тепла и света.

С водой магний реагирует медленно, особенно при комнатной температуре, из-за образования нерастворимого гидроксида магния на поверхности. С горячей водой реакция ускоряется, а с водяным паром при высокой температуре магний реагирует бурно, с выделением водорода.

Магний легко взаимодействует с разбавленными кислотами (соляной, серной, уксусной), образуя соответствующие соли и выделяя водород. С концентрированной серной кислотой реакция идёт с выделением сернистого газа. С азотной кислотой магний реагирует с образованием нитрата магния и различных продуктов восстановления азота.

При нагревании магний реагирует со многими неметаллами: с галогенами (образуя галогениды), с серой (сульфид магния), с азотом (нитрид магния), с углеродом (карбид магния MgC₂). С водородом магний образует гидрид магния (MgH₂) при нагревании под давлением.

Нахождение в природе

Магний является одним из наиболее распространённых элементов в земной коре. Его содержание в литосфере составляет около 2,35% по массе. В природе магний встречается только в виде соединений, входя в состав многих минералов. Основные минералы магния:

• Доломит (CaMg(CO₃)₂) — двойной карбонат кальция и магния.
• Магнезит (MgCO₃) — карбонат магния.
• Брусит (Mg(OH)₂) — гидроксид магния.
• Карналлит (KMgCl₃·6H₂O) — хлорид калия-магния.
• Кизерит (MgSO₄·H₂O) — сульфат магния.
• Оливин ((Mg,Fe)₂SiO₄) — силикат магния-железа.

Крупные месторождения магниевых руд находятся в России (Урал, Сибирь, Кольский полуостров), Китае, Австралии, Бразилии, США, Канаде, Норвегии. Огромные количества магния содержатся в морской воде (около 1,3 г/л), что делает её практически неисчерпаемым источником этого элемента. В России основные запасы магния сосредоточены в месторождениях доломита и магнезита на Урале и в Сибири.

Получение

Промышленное получение магния осуществляется двумя основными способами: электролитическим и термическим (металлотермическим).

Электролитический способ

Наиболее распространённый метод, на который приходится около 80% мирового производства магния. Процесс заключается в электролизе расплава безводного хлорида магния (MgCl₂) или карналлита. Расплавленную соль помещают в электролизёр, где под действием постоянного тока на катоде выделяется жидкий магний, а на аноде — хлор. Магний всплывает на поверхность расплава, откуда его собирают. Хлор улавливают и используют для получения хлорида магния из природного сырья.

Термический способ

Основан на восстановлении оксида магния (MgO) другими металлами (кремнием, алюминием, кальцием) при высокой температуре в вакууме. Наиболее распространён силикотермический процесс (процесс Пиджона), при котором магний восстанавливают из доломита ферросилицием (сплавом кремния с железом). Реакция проводится в ретортах при температуре 1150–1200 °C и давлении 1–10 Па. Пары магния конденсируются в виде кристаллов, которые затем переплавляют в слитки.

Применение

Магний и его сплавы находят широкое применение в различных отраслях промышленности.

Металлургия

Основное применение магния — в качестве легирующей добавки в алюминиевые сплавы. Добавление магния (от 0,5 до 5%) значительно повышает прочность и коррозионную стойкость алюминия. Такие сплавы (например, АМг, АМг6) широко используются в авиастроении, судостроении, автомобилестроении, строительстве.

Магний также используется для получения конструкционных магниевых сплавов (например, МА2, МА5, МА14), которые отличаются высокой удельной прочностью (отношение прочности к плотности). Эти сплавы применяются в авиационной и ракетно-космической технике, в производстве корпусов приборов, автомобильных колёс, деталей двигателей.

Производство пиротехники и осветительных составов

Способность магния гореть ярким белым пламенем используется в пиротехнике (фейерверки, сигнальные ракеты), в производстве осветительных и зажигательных бомб, а также в фотографии (вспышки).

Химическая промышленность

Магний используется как восстановитель для получения некоторых металлов (титана, циркония, гафния, урана) из их оксидов или галогенидов. Соединения магния (оксид, гидроксид, сульфат, хлорид) применяются в производстве огнеупоров, цемента, удобрений, лекарственных препаратов, косметики.

Электроника и аккумуляторы

Магний используется в производстве сухих элементов питания (магний-марганцевые батареи), а также в качестве анодного материала в катодной защите от коррозии (протекторы). Ведутся разработки магний-ионных аккумуляторов как потенциальной альтернативы литий-ионным.

Биологическая роль

Магний является одним из важнейших макроэлементов для всех живых организмов. В организме человека содержится около 20–30 г магния, из которых 60–70% находится в костях, остальное — в мягких тканях и жидкостях.

Функции магния в организме

• Является кофактором более 300 ферментов, участвующих в энергетическом обмене, синтезе белка, передаче нервных импульсов.
• Регулирует работу сердечно-сосудистой системы, нормализует сердечный ритм и артериальное давление.
• Участвует в сокращении и расслаблении мышц.
• Влияет на синтез ДНК и РНК.
• Играет ключевую роль в фотосинтезе растений, являясь центральным атомом молекулы хлорофилла.

Дефицит магния

Недостаток магния (гипомагниемия) может приводить к мышечным судорогам, аритмии, повышенной утомляемости, раздражительности, нарушению сна. Основные причины дефицита — несбалансированное питание, стресс, приём некоторых лекарств (диуретики, антибиотики), заболевания желудочно-кишечного тракта.

Источники магния

Богатыми источниками магния являются зелёные листовые овощи (шпинат, салат), орехи (миндаль, кешью), семена (тыквенные, подсолнечные), бобовые, цельнозерновые продукты, бананы, какао, морская рыба.

Интересные факты

• Магний — один из немногих металлов, которые могут гореть в атмосфере углекислого газа. Поэтому тушить горящий магний водой или углекислотными огнетушителями нельзя — это может усилить горение. Для тушения используют сухой песок или специальные порошковые составы.
• Сплав магния с алюминием (электрон) используется в производстве корпусов ноутбуков, фотоаппаратов и других электронных устройств благодаря своей лёгкости и прочности.
• Магний является продуктом ядерного синтеза в звёздах. Он образуется в результате слияния ядер углерода и гелия в процессе эволюции массивных звёзд.
• В 2016 году учёные из Китая и США впервые синтезировали стабильный изотоп магния-40, который не встречается в природе.

Источники

1. Химическая энциклопедия: в 5 т. / Редкол.: И. Л. Кнунянц (гл. ред.) и др. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2: Даффа — Меди. — 671 с.
2. Справочник химика / Под ред. Б. П. Никольского. — 2-е изд., перераб. и доп. — Л.: Химия, 1964. — Т. 2. — 1168 с.
3. Реми Г. Курс неорганической химии. — М.: Мир, 1966. — Т. 1. — 836 с.
4. Магний и его сплавы / Под ред. М. Е. Дрица. — М.: Металлургия, 1973. — 320 с.
5. Авцын А. П. и др. Микроэлементозы человека: этиология, классификация, органопатология. — М.: Медицина, 1991. — 496 с.
6. Большая российская энциклопедия. — М.: Большая российская энциклопедия, 2004–2017. — Т. 18: Ломоносов — Манизер. — 767 с.