МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. М.В. ЛОМОНОСОВА
БИОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
Магний
Àâòîð: ñòóäåíò ãðóïïû 104 Ãåîðãèé Àëåêñàíäðîâè÷ Áàçûêèí
Москва, 17 декабря 1996 г.
Магний – один из самых распространенных в земной коре элементов, он занимает VI место после кислорода, кремния, алюминия, железа и кальция. В литосфере (по А.П.Виноградову) содержание магния составляет 2,1%. В природе магний встречается только в виде соединений. Он входит в состав многих минералов: карбонатов, силикатов и др. К числу важнейших из таких минералов относятся, в частности, углекислые карбонатные породы, образующие огромные массивы на суше и даже целые горные хребты – магнезитMgCO3и доломитMgCO3-CaCO3. Под слоями различных наносных пород совместно с залежами каменной соли известны колоссальные залежи и другого легкорастворимого магнийсодержащего минерала – карналлитаMgCl2-KCl-6H2O (в Соликамске, например, пласты карналлита достигают мощности до 100 м). Кроме того, во многих минералах магний тесно связан с кремнеземом, образуя, например, оливин[(Mg, Fe)2SiO4] и реже встречающийся форстерит (Mg2SiO4). Другие магнийсодержащие минералы – это бруцитMg(OH)2, кизеритMgSO4, эпсонитMgSO4-7H2O, каинитMgSO4-KCl-3H2O. На поверхности Земли магний легко образует водные силикаты (тальк, асбест и др.), примером которых может служить серпентин3MgO-2SiO2-2H2O. Из известных науке 1500 минералов около 200 (более 13%) содержат магний. Однако природные соединения магния широко встречаются и в растворенном виде. Кроме различных минералов и горных пород, 0,13% магния в виде MgCl2 постоянно содержатся в водах океана (его запасы здесь неисчерпаемы – около 6-1016 т) и в соленых озерах и источниках. В растительных и животных организмах магний содержится в количествах порядка сотых долей процента, а в состав хлорофилла входит до 2% Mg. Общее содержание этого элемента в живом веществе Земли оценивается величиной порядка 1011 тонн. При недостатке магния приостанавливается рост и развитие растений. Накапливается он преимущественно в семенах. Введение магниевых соединений в почву заметно повышает урожайность некоторых культурных растений (например, свеклы).
Металлический магний был впервые получен в 1828 г. А. Бюсси. Основной способ получения магния – электролиз расплавленного карналлита или MgCl2. Металлический магний имеет важное значение для народного хозяйства. Он используется при изготовлении сверхлегких сплавов для авиационной и ракетной техники, как легирующий компонент в алюминиевых сплавах, как восстановитель при магниетермическом получении металлов (титана, циркония и т.п.), в производстве высокопрочного “магниевого” чугуна со включенным графитом. Другие соединения магния – окись, карбонат, сульфат и т.п. – совершенно необходимы при изготовлении огнеупорных материалов, цементов и прочих строительных материалов.
Магний кристаллизуется в гексагональную плотноупакованную решетку, на каждой ячейке которой – по 6 атомов, из них 3 – в вершинах и в центре базисных граней, а 3 – в центрах трех тригональных призм. Занятые и свободные призмы чередуются.
Физические и химические свойства
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. Кристаллическая решетка магния относится к гексагональной системе.
| Атомный радиус, Å | 1,6 |
| Радиус иона Mg2+, Å | 0,74 |
| Энергия ионизации, эв, для Mg0 ®Mg+ | 7,64 |
| для Mg+® Mg2+ | 15,03 |
| Плотность (20 oC),г/см3 | 1,739 |
| Температура плавления., oC | 651 |
| Температура кипения,oC | 1107 |
| Теплота плавления, кал/г-атом | 2100 |
| Теплота испарения, кал/г-атом | 31000 |
| Теплота возгонки (при 25oC), кал/г-атом | 35000 |
| Удельная теплоемкость (20 oC), кал/г-град | 0,248 |
| Теплопроводность (20 oC), кал/см-сек. град | 0,37 |
| Удельное электрическое сопротивление, Ом-см | 4,5-10-6 |
| Поперечное сечение захвата тепловых электронов, барн | 0,059 |
| Электропроводность (Hg=1) | 22 |
В природе магний встречается в виде трех стабильных изотопов: 24Mg (78,60%), 25Mg (10,11%) и26Mg (11,29%). Искусственно были получены изотопы с массами 23, 27 и 28.
В периодической системе элементов магний располагается в главной подгруппе II группы; его порядковый номер – 12, атомный вес 24,312. Электронная конфигурация невозбужденного атома – 1s22s2p63s2; валентные электроны наружного слоя определяют валентность +2 и объясняет типичный характер восстановительных реакций, в которые вступает магний. Строение внешних электронных оболочек атома Mg (3s2) соответствует его нульвалентному состоянию. Возбуждение до обычного двухвалентного (3s3p) требует затраты 62 ккал/г-атом
На внешнем электронном уровне атома содержатся только 2 электрона, которые легко отдаются для образования стабильной 8-электронной конфигурации, в результате чего образуются двухвалентные положительно заряженные ионы магния. Поэтому химически магний очень активен, на воздухе окисляется, но образующаяся при этом на поверхности окисная пленка отчасти препятствует дальнейшему окислению.
Магний наряду с бериллием, кальцием, стронцием, барием и радием относится к группе щелочноземельных металлов. Все они имеют бело-серебристый цвет (исключение составляет барий – он светло-серый), все они мягкие и легкие (кроме радия – он тяжелый и радиоактивный). Щелочноземельные металлы плохо проводят электрический ток; почти все они неустойчивы на воздухе, активны, легко растворяются в разбавленных кислотах, при нагревании энергично реагируют с кислородом, водородом, азотом, углеродом, галогенами, серой, фосфором и др.; они используются в качестве восстановителей в промышленном многих веществ. Но как конструкционный материал из всей группы широко применяется только магний.
Пары магния содержат молекулы Mg2, энергия диссоциации которых оценивается в 7 ккал/моль.
Сжимаемость Mg мала, под давлением в 100 тыс. ат его объем уменьшается до 0,85 исходного.
Аллотропические модификации магния неизвестны.
На магний не оказывают заметного действия дистиллированная вода, фтористоводородная кислота любой концентрации, водные растворы фтористых солей, сера (жидкая и газ), сернокислый алюминий, сероуглерод, растворы едких щелочей, углекислая щелочь, сухие углеводороды, органические галогенпроизводные, не содержащие спирта и H2O, безводная C2H5OH, этиловый и уксусный эфиры, жиры и масла, не содержащие кислот, ароматические соединения и минеральные масла.
Разрушающе действуют на магний морская и минеральная вода, водные растворы HCl, H2SO4, HNO3, H3PO4, кремнефтористоводородные кислоты, водные растворы галоидных солей, сернистых соединений, NH3, его водные растворы, NxOy, растворы двууглекислой соды, органические кислоты, водные и спиртовые растворы хлорметила и хлорэтила, метиловый спирт, гликоли и гликолевые смеси, многие альдегиды.
При комнатной температуре на воздухе компактный 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 350–400 oC.
На воздухе магний воспламеняется при температуре 600-650 oC, при этом образуется MgO, частично Mg3N2; при 400–500 oC в атмосфере H2 под давлением образуется гидрид MgH2. Реакции сопровождаются большим выделением тепла (чтобы нагреть стакан ледяной воды до кипения, достаточно 4 г магния) и мощным излучением ультрафиолета.
При нагревании магний взаимодействует с галогенами с образованием галогенидов; при 500–600 oC при взаимодействии с серой образуется MgS; при более высокой температуре возможно образование карбидов MgC2 и Mg2C3, силицидов MgSi и Mg3Si2, фосфида Mg3P2.
Нормальный электродный потенциал магния в кислой среде составляет
-2,37 в, в щелочной -2,69 в. Магний – сильный восстановитель, может вытеснить большинство металлов из их солей, H2 из воды и кислот.
Холодная вода на магний почти не действует, с горячей водой он медленно взаимодействует с выделением водорода. В разбавленных кислотах магний растворяется даже на холоду. В HF магний не растворяется, поскольку на поверхности образуется пленка из трудно растворимого в воде MgF2; в концентрированной H2SO4 почти не растворяется.
Нормальный потенциал магния равен -2,37 в (в кислой среде) и -2,69 в (в щелочной среде).Поэтому оба металла должны были бы разлагать воду. Однако при обычной температуре такое разложение практически не происходит. Обусловлено это малой растворимостью оксида магния, образующего защитный слой на поверхности металла.
С водным раствором аммиака магний почти не реагирует, зато он растворим при действии на него растворов солей аммония. Реакция в этом случае идет по схеме 2NH4++Mg=Mg2++H2+2NH3.
Растворы щелочей на магний не действуют.
Соединения магния
Поляризующая способность иона Mg2+невысока, а по величине коэффициента поляризации, который количественно характеризует деформируемость иона, магний уступает большинству металлов.