История производства магния - Реферат. Производство магния реферат

История производства магния - Реферат

На суше большие массивы сложены такими магниевыми карбонатными породами, как магнезит и доломит; известны крупные залежи его хлористой соли-карналлита; достаточно широко распространены разнообразные магниевые силикаты-оливин, серпентинит и др. В водах мирового океана содержится 0,13% магния (в виде его хлорида). Эта цифра сама по себе невелика, но, учитывая огромные массы вод океана, можно считать, что запасы магния в них неисчерпаемы. Кроме того, на земле имеется большое число соляных источников и озер со значительным содержанием в их воде солей магния.

Первоначально для своих нужд человек использовал магниевые породы - магнезит и доломит в качестве природных строительных материалов. В XVII в были обнаружены лечебные свойства некоторых химических соединений магния, а со второй половины XIX в, после того как был выделен свободный магний, начала развиваться и его металлургия. Причем в истории развития металлургии магния можно выделить три основных периода, связанных с производством металла химическими, электролитическими и термическими методами.

Открытие магния и получение его химическими способами. В 1618 г. английский пастух Г.Уикер обнаружил на пастбище в Эпсоме небольшую ямку, заполненную горькой водой. Позже было установлено, что эта вода обладает лечебными свойствами.

К.Неуманн (1683-1737) получил искусственную эпсомскую соль добавлением серной кислоты к водному раствору морской соли, привезенной из Испании и Португалии. Он называл эту соль magnesia alba (белая магнезия). В 1707 г. М.Валентини открыл метод приготовления магнезии прокаливанием азотнокислой соли. Спустя два года И.Слевогт указал более легкий путь получения белой магнезии - осаждением ее из раствора[1, С.7].

В 1754-1755 г. шотландский химик Дж. Блек (1728-1799) в Эдинбурге провел эксперименты над белой магнезией, негашеной известью и другими солями щелочных, в которых он показал, что магнезия совершенно отлична от извести, что позже подтвердили и другие химики[2, С.26].

Впервые попытка выделить «металлическую основу» магнезии была сделана в начале XIX столетия английским физиком и химиком Г.Деви (1778-1829), после того как он подверг электролизу расплавленные едкое кали и едкий натр, получив таким образом, металлический натрий и калий [1, С.8].

Он решил аналогичным путем осуществить разложение окислов щелочно-земельных металлов и магнезии. После многочисленных неудачных попыток в 1808 г. Деви разработал окончательный метод выделения щелочноземельных металлов и магния. Он смешивал влажный окисел с окисью ртути и помещал смесь на платиновую пластинку, соединенную с положительным полюсом мощной гальванической батареи конструкции известного физика и химика А.Вольты (1745-1827). Затем он делал небольшое углубление в центре слоя смеси и помещал в него шарик ртути, чтобы иметь возможность пропустить ток большей силы. Платиновая проволочка, погруженная в ртуть, была соединена с отрицательным полюсом батареи. Таким путем Деви получил в первую очередь амальгаму кальция, из которой, путем удаления ртути выделил кальций. Аналогичным путем он выделил небольшие количества стронция, бария и магния[1, С.9; 2, С.26].

Выделив из магнезии ее «металлическую основу», Деви назвал новый металл magnium, так как считал, что слово magnesium легко спутать с manganese (т. е. с марганцем). Тем не менее, название magnesium вошло в употребление во многие языки и металл был лишь короткое время известен под названием, которое ему дал Деви.

Количество магния, которое смог получить Деви в 1808 г., было очень мало, и прошло еще 20 лет до тех пор, пока не был сделан новый шаг в истории металлургии магния. Его сделал французский химик А.Бусси (1794-1882), который в 1828 г. впервые получил магний в компактной форме и в ощутимых количествах. Способ Бусси заключался в нагревании смеси безводного хлористого магния с металлическим калием в стеклянной трубке. Калий вытеснял из хлорида свободный магний, образуя хлористый калий. Когда Бусси выщелачивал хлористый калий из продуктов реакции водой, то в остатке обнаруживались небольшие блестящие шарики металлического магния [1, С.11].

В 1830 г. немецкий химик Ю. Либих (1803-1873) подтвердил результаты опытов Бусси по выделению магния восстановлением его хлорида калием, причем он получал безводный хлористый магний сплавлением водного хлорида с нашатырем.

Таким образом, было окончательно доказано наличие «металлической основы» у магнезии, и новый металл - магний мог быть теперь получен в ощутимых количествах.

С опытов Бусси и Либиха, применивших для выделения магния реакцию вытеснения его калием из хлористого магния начинается первоначальный этап развития металлургии магния, связанный с химическими методами его получения. Однако прошло еще четверть века, прежде чем было внесено усовершенствование в способ Бусси, позволившее существенно улучшить процесс и увеличить масштаб получения магния.

А. Сен-Клер-Девиль (1818-1881) и Г. Карон во Франции в 1857 г. впервые в значительном масштабе осуществили получение магния восстановлением расплавленного хлористого магния металлическим натрием [1, С.12]. Такая замена позволяла удешевить процесс, а применение добавок к хлористому магнию хлоридов натрия и калия уменьшало возможность гидролиза хлористого магния и понижало температуру его плавления. Наличие же присадок фторидов кальция или натрия способствовало слиянию мелких капель восстановленного магния в более крупные образования металла. Все это в целом сильно повышало эффективность процесса восстановления магния. Te же Девиль и Карон первыми возогнали металлический магний в атмосфере водорода с целью получения более чистого металла.

Небольшие заводы по производству магния химическим способом Девиля и Карона работали в конце прошлого столетия во Франции, Англии и США [Там же, С.14]. Однако эти предприятия действовали недолго и прекратили свое существование, как только был разработан электролитический способ получения магния, конкурировать с которым химический способ не смог. Помимо того, что он требовал дорогостоящих восстановителей - металлического натрия или калия, не менее существенным недостатком химического способа была периодичность технологического процесса.Создание электролитического способа получения магния. Впервые металлический магний был получен в 1830 г. электролитическим путем в свободном состоянии знаменитым английским физиком М.Фарадеем (1791-1867), подвергшим электролизу расплавленный хлористый магний [3, С.2].

В 1852 году этот способ был более детально исследован немецким химиком Р.Бунзеном (1811-1899), который электролизом безводного расплавленного хлористого магния получил довольно значительные количества этого металла. В качестве электролизера Бунзен применял фарфоровый тигель высотой 100 и диаметром 60 мм, обогреваемый снаружи. В расплав сверху погружались два угольных электрода, являвшиеся анодом и катодом, причем анодное и катодное пространства разделялись фарфоровой диафрагмой, не доходящей до дна. Электроды были укреплены в керамической крышке тигля. Для того чтобы удержать у катода капельки выделяющегося магния и предупредить их всплывание и сгорание на поверхности электролита, катоду придавалась пилообразная форма. Уже в первых своих опытах Бунзен наблюдал отрицательное влияние влаги в электролите на ход электролиза. Для обезвоживания хлористого магния Бунзен расплавлял его в смеси с хлористым аммонием, расплав сильно нагревал для удаления последнего, затем охлаждал, измельчал и переплавлял хлористый магний вторично. В опытах Бунзена выход магния по току достигал 60%.

Девиль и Карон в 1865 г. повторили исследования Бунзена по электролизу магния, но в своих исследованиях высушенную смесь из хлористого магния и хлористого аммония они насыпали в тигель, нагретый до красного каления, что делалось для того, чтобы ускорить процесс плавления, т. е. уменьшить время действия влажного воздуха на электролит. Кроме того, они предложили добавлять в электролит небольшое количество фтористого кальция. Это облегчало слияние отдельных капель металла, рассеивающихся среди массы электролита, и уменьшало потери металла[1, С.16].

А.Матиссен в 1886 г. предложил для электролитиза магния применять вместо хлористого магния его двойной хлорид-карналлит (MgCl2-KCl), так как последний мог быть обезвожен значительно легче без разложения на окись магния и хлористый водород. Кроме того, карналлит имеет более низкую температуру плавления, чем хлористый магний.Большое значение для выяснения условий процесса электролиза расплавленного хлорида магния имели работы Ф.Эттеля [1, С.17], который в 1895 г. исследовал влияние присутствующих в электролите влаги, сернокислого магния и хлорного железа и отметил их негативное влияние на процесс.

В результате исследований, проведенных во второй половине XIX в по электролитическому получению магния, были уже по существу установлены основные положения, необходимые для надежного и эффективного процесса. Этими положениями были следующие:

1. тщательное обезвоживание исходного хлористого магния в условиях, устраняющих его гидролиз;
2. применение для электролиза электролита, свободного от примесей влаги, сульфата магния и хлорного железа;
3. электролиз расплавленного хлористого магния не как такового, а в смеси с хлоридами калия и натрия, в частности, для снижения температуры плавления;
4. введение в электролит добавок фтористого кальция или фтористого натрия, обеспечивающих слияние мелких капель магния в более крупные и уменьшающих таким путем потери выделенного катодного металла.

Важно сказать, что эти положения, найденные в основном эмпирическим путем, остаются справедливыми и по настоящее время, будучи подтверждены последующими физико-химическими исследованиями, проведенными в первой половине XX в.

Наконец, алюминиевый и магниевый завод в Гмелингене (Германия) [1, С.19] в 1899 г. взял привилегию на получение металлического магния электролизом расплавленного естественного (природного) карналлита, придя к составу хлористых солей магния, непосредственно встречающихся в природе, т. е. к расплавам из MgCl2, KC1 и NaCl различного состава.

Что касается начального аппаратурного оформления электролитического производства магния, то первый магниевый электролизер промышленного типа на 300 ампер был разработан Гретцелем [4, С.10] и применен им в 1883 г. на заводе в Геттингене под Бременом, а затем, по-видимому, в 1886 г. на алюминиевом и магниевом заводе в Гмелингене (Германия). Нижняя часть электролизера Гретцеля обогревается горячими газами. Верхняя часть электролизера выступает над печью и охлаждается воздухом. Выделяющийся магний периодически вычерпывают дырчатой ложкой. В качестве электролита служил расплавленный карналлит. При силе тока 300 А, катодной плотности тока 10 А/дм2 и в десять раз большей анодной плотности тока напряжение составляло 7-8 В, температура электролита 700°C.В электролизере Борхерса (1894 г) катодом служил железный тигель, угольный анод был окружен диафрагмой, снабженной отводом для хлора. Тигель устанавливали в небольшую газовую печь. Электролизер Борхерса был близок по конструкции к электролизеру Гретцеля, причем оба они уже имели такие конструктивные элементы, как графитовый анод, стальной (или железный) катод, керамическую диафрагму, которые в том или ином виде нашли применение и в современных магниевых ваннах.

Однако уже скоро отказались от необходимости вести процесс электролиза расплавленных хлоридов магния в атмосфере восстановительного газа, а также - с переходом на большую силу тока - и от наружного обогрева электролизеров.

Интересно отметить, что делались попытки применения для получения магния способа, аналогичного электролитическому методу производства алюминия, т. е. электролиза окиси магния, растворенной в расплавленных фторидах. Однако, несмотря на многочисленные исследования, проведенные в этом направлении, электролиз окиси магния в расплавленных фторидах не получил промышленного применения, хотя и проводился в довольно значительном масштабе в США [1, С.21]. Главным препятствием этому являлась весьма низкая растворимость окиси магния в расплавленных фтористых солях и высокая температура процесса, приводящая к большим потерям уже выделенного магния.

Развитие производства магния тесно связано с совершенствованием и развитием электролитического способа, некоторое различие в практическом осуществлении которого в тех или иных странах и заводах обусловливалось главным образом использованием того или иного вида сырья - магнезита, карналлита, рапы соляных озер и источников, морской воды.

Разработка термических способов получения магния. Стремление осуществить прямое восстановление окиси магния углем вытекало из желания упростить металлургический процесс в целом и устранить сложную технологию получения гигроскопичных хлористых солей магния в связи с отсутствием на территории ряда стран природных источников сырья для получения хлористых солей магния.

В 1889 г. немцы Кнефлер и Ледеборгев своем патенте [1, С.24] рекомендовали из смеси окиси магния и угля приготовлять стержни и затем применять их в качестве электродов для создания вольтовой дуги. Одновременно с этим через дугу необходимо продувать струю инертного или восстановительного газа (азот, водород, углеводород и т. д.). Продуваемый газ быстро охлаждает продукты, образующиеся в вольтовой дуге, предотвращая окислительное действие окиси углерода на магний.

Только в начале 30-х гг. XX в Австро-американское общество «Magnesit»[5, С.2] сделало существенный шаг в направлении практического решения проблемы восстановления окиси магния углеродом - в реализации так называемого карботермического или углетермического процесса получения магния.

Исходным материалом для этой технологии служил обожженный магнезит. Его смешивали с антрацитом или коксом (в соотношении 3 к 1), и шихту загружали между электродами закрытой трехфазной электрической печи мощностью 600 кВт. Давление внутри печи составляло около 100 мм рт. ст. Газообразные продукты реакции восстановления при выходе из печи в конденсатор резко охлаждались впрыскиванием жидкого водорода, мгновенно испарявшегося. В результате этого температура газовой смеси от 2200-2300С° падала до 150-200С°, и пары магния конденсировались в виде тонкого порошка. Для достижения указанного эффекта на один объем парообразного магния необходимо было ввести 40-50 объемов водорода.

Полученный таким образом магниевый порошок непрерывно удалялся из конденсатора, а отходящие газы очищались от взвешенных частиц, проходя через фильтры. Магниевый порошок состоял из 60-70% металлического магния и 15-22% окиси магния; остальное составляли примеси, перешедшие из магнезита и восстановителя, которые также возгонялись при высокой температуре восстановления. Извлечение магния из магнезита в магниевый порошок составляло 80-90%. Благодаря тому, что порошок, будучи дисперсным, мог легко воспламеняться, перед его транспортированием на дальнейшую операцию - дистилляцию (с целью извлечения чистого магния) порошок смешивали с маслом.После этого магниевый порошок подвергали брикетированию в атмосфере водорода, и брикеты механическим путем передавали в дистилляционную печь, которая представляла собой герметически закрытую установку с остаточным давлением около 20 мм рт. ст. Печь с помощью внутреннего сопротивления нагревали до 750-950С°.Парообразный магний направлялся в конденсатор, где происходила конденсация магния в сферические капли размером от мелкой дроби до шариков диаметром более 1 см. Капли сконденсированного магния падали в сборник с маслом. Магний отфильтровывали от масла, сплавляли в электрической печи и отливали в слитки. Масло же вновь возвращали в сборник.

Выход магния при дистилляции его из порошка достигал 98% от магния, содержавшегося в порошке, так что общий выход магния из обожженного порошка составлял примерно 80%.

Металл, полученный после дистилляции и переплавки, обладал достаточно высокой чистотой. Общий расход электроэнергии на 1 кг магния в чушках, получавшихся по углетермическому способу был в среднем 18 кВт•ч, причем собственно на восстановление приходилось 14,5 кВт•ч. Расход водорода составлял 0,25 м3 на 1 кг магния. Однако этот водород мог быть возвращен в процесс после очистки его от окиси углерода[1, С.24].

Карботермический способ не сыграл, однако, заметной роли в истории развития производства магния и впоследствии был заменен более совершенными термическими методами. Несмотря на свою принципиальную простоту, углетермический способ не смог конкурировать с электролитическим ввиду высоких энергозатрат, периодичности большинства переделов, сложности переработки взрывоопасной магниевой пыли на компактный магний.Наиболее значительную роль в истории магния сыграл другой термический способ его получения - силикотермический, заключающийся в восстановлении окиси магния кремнием с вытеснением свободного магния.В 1917 г. Гросвенор предложил восстанавливать окись магния кремнием при нормальном давлении в водороде. В 1919 г. Бликер и Моррисон взяли патент на восстановление доломита кремнием в дуговой печи в атмосфере водорода.Восстановление окиси магния кремнием и кремнеалюминиевыми сплавами в вакууме впервые исследовали в 1925 г. П.Ф.Антипин и А.А.Моисеев. Более подробно этот процесс изучили в 1932 г. П.Ф.Антипин и А.Ф.Алабышев[1, С.29].Силикотермический способ производства магния, так же как и карботермический, начал внедряться в промышленность перед второй мировой войной и стал широко применяться во время войны, когда необходимо было быстро вводить в эксплуатацию новые магниевые заводы. Этому способствовали распространенность дешевого сырья и сравнительная простота технологии силикотермического способа. В способе, принятом для промышленного осуществления этого процесса, исходным сырьем служил доломит, а восстановителем - ферросилиций.

Развитие техники производства силикотермического магния может быть охарактеризовано следующим образом.На большинстве заводов с самого начала применения силикотермического способа производства магния основным агрегатом для осуществления процесса служили горизонтальные вакуумные реторты [1, С.30; 6, С.3]. Отличительной чертой их был внешний нагрев газом или электричеством. Реторта представляла собой литую трубу из жаропрочной хромоникелевой стали. В огнеупорной кладке печи имелось двадцать таких реторт, располагавшихся в горизонтальной плоскости в один ряд. Снизу и сверху реторт были установлены газовые горелки, обогревавшие реторты. Печи с ретортами находились во втором этаже здания, а на первом этаже - вакуумные насосы.

В качестве исходного сырья служил природный кальцинированный (прокаленный) доломит и 75%-ый (по кремнию) ферросилиций. Эти материалы размалывали, дозировали и смешивали в соотношении 5:1. Одновременно в шихту (для ускорения реакции восстановления окиси магния) вводили 5% плавикового шпата. Шихту всухую брикетировали в брикеты размером 25 мм, которые укладывали в бумажные пакеты по 23-25 кг, и загружали в реторты, предварительно очищенные от остатков предыдущего цикла. Через 10 мин, в течение которых сгорали пакеты, реторты закрывали крышками и из них откачивали воздух. Остаточное давление поддерживали не выше 0,1 мм рт. ст., а температуру в зоне реакции - около 1175°С. Восстановление в вакууме продолжалось 9,5 часов.

По окончании цикла восстановления вакуумные насосы выключали, крышки реторт открывали, вынимали из каждой конденсатор для щелочных металлов, затем конденсатор с кристаллами магния и, наконец, извлекали остатки от реакции восстановления. Их выгребали вручную или механически. Затем вновь загружали пакеты с брикетами, и цикл восстановления начинался снова. При средней единовременной загрузке в реторту 106 кг брикетов получали 14,4 кг магния. Выход магния составлял 65%. Одна реторта за сутки давала 34,5 кг, а печь из двадцати реторт - 691 кг магния.

Кристаллический магний, извлеченный из конденсаторов в виде полых цилиндров переплавляли, разливали в чушки или непосредственно направляли для изготовления сплавов. Описанный процесс силикотермического получения магния в вакуумных ретортах при его технологической простоте обладал весьма существенными недостатками - малым сроком службы дорогих хромоникелевых реторт; небольшой единичной производительностью реторты, применением ручного труда при загрузке реторт брикетами и при очистке их от остатков после восстановления. Все это вызывало необходимость в совершенствовании аппаратуры для силикотермического восстановления магния.

Поэтому первым шагом в этом направлении явилось применение на заводе в Спокейне (США) для силикотермического получения магния крупных электрических печей с внутренним электрическим нагревом конструкции Бэглейя. Печь работала под вакуумом и в процессе работы печи пары восстановленного магния проходили через отверстия в стенках внутреннего цилиндра и конденсировались в виде друз в конденсаторе. Общая продолжительность одного цикла работы печи составляла четверо суток. После охлаждения конденсатор выдвигали из нижней части печи и извлекали из него магний. После этого открывали свод печи и краном приподнимали внутренний перфорированный цилиндр. Через образовавшийся проем в дне печи остатки от восстановления доломита высыпались вниз; их удаляли, а перфорированный цилиндр опускали на место.

Печь работала при силе тока 1750 А и напряжении 115 В. Вес единовременно загруженной шихты составлял 3600-4000 кг, а вес магния, получаемого за один цикл 500-600 кг, т. е. 125-150 кг магния за сутки. Каждая печь Бэглейя имела в 4-5 раз большую производительность, чем одна горизонтальная реторта Пиджена. Эти печи работали с внутренним нагревом и поэтому имели холодные наружные стенки, что исключало образование на них вмятин. Кроме того, загрузка шихты в печь и выгрузка из нее остатков после восстановления были полностью механизированы. В этом заключались несомненные преимущества печей Бэглейя перед ретортами Пиджена. Однако и те и другие имели общий крупный недостаток - периодичность в работе. Поэтому в дальнейшем усовершенствование силикотермического способа получения магния было направлено на достижение непрерывности технологического процесса.

Полунепрерывно действующая печь для силикотермического восстановления магния была разработана во время второй мировой войны фирмой I.G.Farbenindustrie[6, С.2]. Отличительными чертами этой печи являлось то, что она вращалась, а шихта нагревалась центрально расположенным графитовым нагревателем, который позволял повысить температуру в рабочем пространстве до 1400°С, отчего увеличивалась скорость реакции восстановления окиси магния доломита. Перемешивание же брикетов при медленном вращении печи способствовало лучшему прогреванию шихты. Однако для того чтобы брикеты не разрушались от ударов и истирания при вращении печи, они должны были быть упрочнены предварительной закалкой в атмосфере водорода. При загрузке брикетов и выгрузке остатков восстановления печь заполняли водородом или аргоном, чтобы предохранить графитовый нагреватель от окисления без охлаждения печи. Конденсатор с магнием снимали через каждые несколько восстановительных циклов при заполнении печи инертным газом. Конденсатор одновременно служил тиглем, в котором магний сплавляли в инертном газе. Температура в конденсаторе поддерживалась равной 450-500°С. Печь вращалась со скоростью 2 об/мин. Выход магния из доломита в такой печи составлял 80%. Расход электроэнергии - 20 кВт•ч на 1 т магния, в том числе собственно на восстановление около 15 кВт•ч. Производительность печи мощностью 350-500 кВА при четырехкратной загрузке брикетов равнялась 0,5-1 т магния в сутки. Однако такая печь была сложна по конструкции (в особенности в токоподводящей части). Необходимость закалки брикетов и применения инертного газа усложняла и удорожала ее работу.

С 1959 г. во Франции на опытном заводе в Бодеане начал осуществляться непрерывный процесс производства магния силикотермическим путем по способу Magneterm [1, С.36, 7, С.379]. Сущность этого способа заключается в том, что восстановление обожженного доломита ферросилицием ведут в однофазной электрической печи сопротивления при 1500°С и остаточном давлении 7-8 мм рт. ст. Реакция протекает в основном в жидкой фазе, которая служит элементом сопротивления. Для этого в шихту вводят глинозем, который с окисью кальция доломита и окисью кремния образует достаточно легкоплавкий алюминат кальция (2CaO•SiО2•nА12О3) -шлак. Доломит и ферросилиций вводят в печь в порошкообразном виде, и они взаимодействуют друг с другом в среде жидкого шлака. Для успешного протекания этого процесса восстановление ведут 80%-ным ферросилицием, используя его до получения 28-40%-го ферросилиция, являющегося побочным продуктом и образующего вторую жидкую фазу в печи. Восстановленный магний испаряется и конденсируется в специальном конденсаторе, соединенном с печью, а из печи периодически выпускают шлак и ферросилиций.

Необходимо отметить, что проводились исследования и работы в лабораторном, полузаводском и промышленном масштабах по применению для восстановления магния из окиси магния (доломита) и других, кроме ферросилиция, неуглеродистых восстановителей - алюминия, силикоалюминия, карбида алюминия, карбида кальция. Однако высокая энергоемкость производства одних (алюминия, силикоалюминия) или химическая нестойкость других (карбида алюминия, карбида кальция) делали их менее выгодными по стоимости и удобству применения по сравнению с ферросилицием.

Магний является одним из наиболее распространенных элементов в земной коре, при этом природные соединения магния являются не только породообразующими, но находятся также и в растворенном виде.

• магний;
• магниевые карбонатные породы;
• магнезит;
• доломит;
• электролитическое производство.

1. Беляев А.И. История магния / А.И.Беляев. - М.: Наука, 1974. 105 с.
2. Hollywell G. Magnesium: The First Quarter Millennium / G.Hollywell //Journal of the Minerals, Metals and Materials Society. 2005. №7. С.26.
3. Czerwinski F. Magnesium Injection Molding / F.Czerwinski. - Springer. 2007. 118 с.
4. Язев В.Д. Создание электролизера для производства магния / В.Д.Язев. - Березники: «Графикс», 2007. 715 с.
5. Harbodt K. Magnesium Technology. Metallurgy, Design Data, Applications / K.Harbodt. - Springer. 2006. 128 с.
6. Brown R. History of Magnesium Production by the Silicothermic Process, Materials of International Conference «Magnesium – Broad Horizons», 2005.
7. Николаев И.В. Металлургия легких металлов / И.В.Николаев, В.И.Москвитин, Б.А.Фомин. - М.: Металлургия, 1997. 432 с.
8. Стрелец Х.Л.Электролитическое получение магния / Х.Л.Стрелец. - М.: Металлургия, 1972. 292 с. Лебедев О.А. Производство магния электролизом / О. А. Лебедев. - М.: Металлургия,1988. 286с.
9. Bedard M. The Production of Magnesium by Noranda. 58th Annual World International Magnesium Association Conference, 2001.
10. Язев В.Д. Создание технологии и аппаратуры для обезвоживания карналлита в кипящем слое / В.Д.Язев, Е.А.Малиновская. - Березники: «Графикс», 2008. 310 с.
11. Язев В.Д. Совершенствование конструкции карналлитового хлоратора / В.Д.Язев. - Соликамск: «Типограф», 2006. 250 с.
12. Беляев А.И. Металлургия легких металлов / А.И.Беляев. – М.: Металлургия, 1970. 368 с.
13. Эйдензон М.А. Металлургия магния и других легких металлов / М.А.Эйдензон. – М.: металлургия, 1974. 200 с.
14. Локшин М. З. Актуальные проблемы производства и переработки магния / М. З. Локшин, Г. С. Макаров // Цветные металлы. 2006.№ 5. С. 46.

ПОДЕЛИСЬ ИНТЕРЕСНОЙ ИНФОРМАЦИЕЙ

metalspace.ru

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное общеобразовательное учреждение

высшего профессионального образования

Уфимский государственный авиационный технический университет

Филиал в г.Туймазы

Реферат

На тему: «Производство магния»

Выполнил: студ.гр. СМТ 202Д

Галимова Р.Р.

Проверил: доцент физико-математических наук

Мусин Фаниль Фанусович

Туймазы 2012

Содержание

Содержание ………………………………………………………………2

1. Химические свойства……………………………………………....3

2. Производство магния……………………………………………....4

3. Разработка термических способов получения магния.………….9

Список литературы………………………………………………………12

Химические свойства.

Магний – серебристо-белый металл. Важнейшее его физическое свойство – малая плотность, равная 1,738 г/см3 (при 20 С). Магний в виде слитков или изделий не огнеопасен. Предел прочности и другие механические свойства магния в большей степени зависят от его чистоты и способа приготовления образца (литой, деформированный). Первичный магний имеет три основные марки: Мг96, Мг95 и Мг90, где цифра обозначает, что этот металл содержит 99,96 или соответственно в последней марке 99,90 % Mg. Наиболее широко применяют сплавы магния, содержащие до 10 % Al, до 6 % Zn и до 2,5 % Mn. Эти добавки значительно улучшают свойства магния. Различают литейные магниевые сплавы, маркируемые МЛ, и сплавы, обрабатываемые давлением, маркируемые МА. Благодаря малой плотности и значительной удельной прочности (отнесенной к массе) магниевые сплавы широко применяют в приборостроении, в транспортном машиностроении, особенно в летательных аппаратах. Магний один из распространенных металлов в земной коре (2,1 %). В свободном виде он не встречается, а является составляющей многих горных пород. Магниевый прокат: Квадрат, Круг, Пруток, Лист, Плита, Полоса, Порошок, Проволока, Протектор, Чушка, Слитки, Гранулы, и др. Марки магния: МА, МА2, МА2-1, МА5, МА8, МА8Ч, МА8ПЧ, МА8Ц, МА12, МА14, МА18, МА20, МА22, МГ, МГ1, МГ90, МГ95, МГ99, МГ995, МГ999, МГП, МГП1, МГП2, МГП3, МГП4, МН, МН98 и др.

Производство магния.

Она обычно производится при нагреве до 200- 500° С. Отсюда понятно, что и магний в качестве машиноподелочного материала не находит применения в чистом виде и используется в виде сплавов. Марки металла, идущего на сплавы, различаются по количеству примесей, причем наивысшая марка (МГ-1 по ГОСТ) содержит цветные металлы и сплавы.

В сумме менее 0,1% примесей (Fe, Si, Al, Na и др.). Точка плавления Mg - 650°. Главными недостатками магния как технического металла являются: малая стойкость против коррозии на воздухе и в воде (особенно морской), а также сильная окисляемость при нагреве; при этом выше 600° он загорается со вспышкой, что создает опасность воспламенения металла при плавке, а также при обработке резанием.

Интенсивное окисление в расплавленном состоянии создает неудобства при плавке: необходимость иметь нейтральную атмосферу (например, аргон), не содержащую даже азот, легко растворяющийся в жидком металле. В вакууме магний легко возгоняется.

Сплавы магния. Сохраняя указанные недочеты основного металла, сплавы магния имеют по сравнению с ним повышенную твердость и прочность. Наиболее применимы простые сплавы с алюминием (системы Mg-Al, фиг. 225) с содержанием А1 до 10%. Как видно из диаграммы, со стороны Mg образуется твердый раствор (3), имеющий линию предельного насыщения между 12, 1 и 4,0% Al, и, следовательно, технические сплавы в равновесном (отожженном) состоянии должны представлять 8-твердый раствор с небольшими выделениями вторичной фазы.

Они могут подвергаться закалке и старению (дисперсионному твердению) с выделением мелкодисперсных частиц 7-фазы, но эффект от этого процесса,здесь незначителен, и потому эта операция обычно не применяется в практике.

Понятно, что и в этих сплавах практикуется добавка других элементов для улучшения качества. Наиболее часто добавляются Zn и Мп. Последний, как и в алюминиевых сплавах, считается благоприятным в отношении повышения стойкости против коррозии. Установлено также, что весьма полезной добавкой является цирконий в количестве десятых процента.

Сплавы магния, называемые вообще ультралегкими, были известны раньше под разными названиями («электрон», «доуме-талл» и т. п.). В ГОСТ они обозначаются марками: буквой М с другой рядом стоящей буквой А - для обрабатываемых сплавов и Л - для литейных; затем следует цифра, соответствующая нумерации, не совпадающей с составом сплавов.

Прочность и твердость магниевых сплавов в среднем не превосходят ae ~ 25 кг/мм и Нв - 70, при удлинении 8 - 5-10%. Несмотря на столь низкие механические характеристики, при отнесении их к единице веса получаются числа «удельной прочности», иногда превосходящие таковые в других сплавах, что и оправдывает техническое применение магниевых сплавов.

В последнее время стали получать сплавы магния (с цинком), в которых предел прочности достигает 35-40 кг/мм1 при удлинении 8-16%. Такие сплавы, вопреки мнению о возможности проката магниевых сплавов только при малых скоростях, допускают прокат при относительно больших скоростях с одного нагрева (440°) с толщины 250 до 5 мм.

Таблица 1. – Лом металлов

Преобладающий промышленный способ получения магния - электролиз расплава смеси MgCl2

MgCl2 Mg2+ 2Cl- К -) А +)

Mg2++2e Mg0 2Cl--2e Cl20

ЭЛ-3

2MgCl2 2Mg + 2Cl2

Расплава в безводных MgCl2, KCl, NaCl. Для получения расплава используют обезвоженный карналлит или бимофит, а также MgCl2, полученный хлорированием MgO или как отход при производстве Ti.

Температура электролиза 700-720 оС, аноды графитовые, катоды стальные. Содержание MgCl2 в расплаве 5-8 %, при снижении концентрации до 4 % уменьшается выход магния по току, при повышении концентрации MgCl2 выше 8 % увеличивается расход электроэнергии. Для обеспечения оптимального содержания MgCl2 периодически отбирают часть отработанного электролита и добавляют свежий карналлит или MgCl2. Жидкий магний всплывает на поверхность электролита, откуда его отбирают вакуумным ковшом. Извлекаемый магниевый сырец содержит 0,1% примесей. Для очистки от неметаллических примесей магний переплавляют с флюсами - хлоридами или фторидами K,Ba,Na,Mg. Глубокую очистку осуществляют перегонкой в вакууме, зонной плавкой, электролитическим рафинированием. В результате получают магний чистотой 99,999 %.

Кроме магния при электролизе получают также Cl2. В термических способах получения магния сырьем служит магнезит или доломит, из которых прокаливанием получают MgO. 2Mg+O2=2MgO. В реторных или вращающих печах с графитовыми или угольными нагревателями оксид восстанавливают до металла кремнием (силиконотермический способ) или CaC2 (карбидотермический способ) при 1280-1300 оС, либо углеродом (карботермический способ) при температуре выше 2100 оС. В карботермическом способе (MgO+C Mg+CO) образующаяся смесь CO и паров магния быстро охлаждают при выходе из печи инертным газом для предотвращения обратной реакции с магнием.

Появление электролитического способа получения магния

В 1830 г. Майкл Фарадей получил несколько граммов металлического магния путем пропускания электрического тока через расплав MgCl2. В 1852 г. этот метод был детально исследован и усовершенствован Робертом Бузеномт (1811–1897), который также осуществил первое массовое производство магния. С помощью его электролизера, состоящего из фарфорового тигля и двух угольных электродов пилообразной формы, погружаемых сверху в расплав обезвоженного MgCl2, ему удавалось всего за несколько секунд получать “королек” магния весом в несколько грамм. Пилообразная форма электродов была необходима для удержания капелек магния во избежание их подъема на поверхность и самовоспламенения. При этом принципиальное значение для повышения производительности играла полная обезвоженность MgCl2. Технология электролитического получения магния за время своего применения подверглась значительным усовершенствованиям, однако ее принципы, естественно, остались без кардинальных изменений. Современное аппаратурное оформление электролитического производства Магния принципиально мало чем отличается от первого магниевого электролизера промышленного типа на 300 а, разработанного Гретцелем и примененного им впервые в 1883 г.

В качестве катода использовался стальной тигель (1), анода –графитовый электрод (2) в центре диафрагмы (3) из пористого фарфора.

Диафрагма служила для разделения продуктов электролиза: магний поднимался на поверхность электролита вне диафрагмы, а хлор отводился по трубке (4). Тигель стоит на плите (5), закрепленной на решетке (6), и обогревался горячими газами. Верхняя часть электролизера выступала над печью и охлаждалась воздухом. Выделяющийся Mg периодически вычерпывался вручную дырчатой ложкой. Любой восстановительный газ поступал из трубы (7) в электролизер. В качестве электролита использовался расплавленный карналлит.

Основным промышленным способом получения магния и сейчас остается электролиз обезвоженного или расплавленного хлористого магния или карналлита. Получение 1 т металла с использованием этой технологии требует затраты около 20 тыс. квт(ч электроэнергии. До первой мировой войны во всем мире работало только 2 магниевых завода – в Геттингене и в Биттерфельде, получавших магний электролизом его расплавленных хлоридов. В то время производилось всего несколько сот тонн магния в год, однако потребности всех стран в этом металле, в том числе и России, импортировавшей магний, полностью удовлетворялись. Война превратила магний в стратегический материал. Прекращение экспорта магния из Германии и Франции заставило Англию и США наладить собственное его производство на небольших электролизных установках.

В России электролитический метод получения магния впервые разработал П.П.Федотьев в 1914 г. в Петроградском политехническом институте. В 1931 г. в Ленинграде был пущен первый опытный магниевый завод, настоящее промышленное производство в СССР ведется с 1935 г. Сейчас большая часть магния получается электролизным способом, меньшая – термическим. Основные производители магния в мире – Россия, США, Норвегия, Франция, Англия, Италия, Канада.

studfiles.net

Реферат Магний

Реферат на тему:

План:

Введение
• 1 История
  • 1.1 Происхождение названия
• 2 Нахождение в природе
  • 2.1 Типы месторождений
• 3 Получение
• 4 Физические свойства
• 5 Химические свойства
• 6 Применение
  • 6.1 Сплавы
  • 6.2 Химические источники тока
  • 6.3 Соединения
  • 6.4 Огнеупорные материалы
  • 6.5 Военное дело
  • 6.6 Медицина
  • 6.7 Фотография
• 7 Биологическая роль и токсикология
ПримечанияЛитература

Введение

Ма́гний — элемент 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 (CAS-номер: 7439-95-4) — лёгкий, ковкий металл серебристо-белого цвета. Средне распространён в природе. При горении выделяется большое количество света и тепла.

1. История

1.1. Происхождение названия

В 1695 году из минеральной воды Эпсомского источника в Англии выделили соль, обладавшую горьким вкусом и слабительным действием. Аптекари называли её горькой солью, а также английской, или эпсомской солью. Минерал эпсомит имеет состав MgSO4 · 7h3O. Латинское название элемента происходит от названия древнего города Магнезия в Малой Азии, в окрестностях которого имеются залежи минерала магнезита.

Впервые был выделен в чистом виде сэром Хемфри Дэви в 1808 году.

2. Нахождение в природе

Кларк магния 19 кг/т. Это распространённый элемент земной коры. Большие количества магния находятся в морской воде. Главными видами нахождения магнезиального сырья являются:

• морская вода — (Mg 0,12-0,13 %),
• карналлит — MgCl2 • KCl • 6h3O (Mg 8,7 %),
• бишофит — MgCl2 • 6h3O (Mg 11,9 %),
• кизерит — MgSO4 • h3O (Mg 17,6 %),
• эпсомит — MgSO4 • 7h3O (Mg 16,3 %),
• каинит — KCl • MgSO4 • 3h3O (Mg 9,8 %),
• магнезит — MgCO3 (Mg 28,7 %),
• доломит — CaCO3·MgCO3 (Mg 13,1 %),
• брусит — Mg(OH)2 (Mg 41,6 %).

Магнезиальные соли встречаются в больших количествах в солевых отложениях самосадочных озёр. Месторождения ископаемых солей карналлита осадочного происхождения известны во многих странах.

Магнезит образуется преимущественно в гидротермальных условиях и относится к среднетемпературным гидротермальным месторождениям. Доломит также является важным магниевым сырьём. Месторождения доломита широко распространены, запасы их огромны. Они ассоциируют с карбонатными толщами и большинство из них имеет докембрийский или пермский возраст. Доломитовые залежи образуются осадочным путём, но могут возникать также при воздействии на известняки гидротермальных растворов, подземных или поверхностных вод.

2.1. Типы месторождений

1. Ископаемые минеральные отложения (магнезиальные и калийно-магнезиальные соли)
2. Морская вода
3. Рассолы (рапа соляных озёр)
4. Природные карбонаты (доломит и магнезит)

Главные месторождения находятся на территории США, Норвегии, Китая, России[2].

3. Получение

Обычный промышленный метод получения металлического магния — это электролиз расплава смеси безводных хлоридов магния MgCl2 (бишофит), натрия NaCl и калия KCl. В расплаве электрохимическому восстановлению подвергается хлорид магния:

MgCl2 (электролиз) = Mg + Cl2.

Расплавленный металл периодически отбирают из электролизной ванны, а в нее добавляют новые порции магнийсодержащего сырья. Так как полученный таким способом магний содержит сравнительно много (около 0,1 %) примесей, при необходимости «сырой» магний подвергают дополнительной очистке. С этой целью используют электролитическое рафинирование, переплавку в вакууме с использованием специальных добавок — флюсов, которые «отнимают» примеси от магния или перегонку (сублимацию) металла в вакууме. Чистота рафинированного магния достигает 99,999 % и выше.

Разработан и другой способ получения магния — термический. В этом случае для восстановления оксида магния при высокой температуре используют кремний или кокс:

MgO + C = Mg + CO

Применение кремния позволяет получать магний из такого сырья, как доломит CaCO3·MgCO3, не проводя предварительного разделения магния и кальция. С участием доломита протекают реакции:

CaCO3·MgCO3 = CaO + MgO + 2CO2,

2MgO + CaO + Si = CaSiO3 + 2Mg.

Преимущество термического способа состоит в том, что он позволяет получать магний более высокой чистоты. Для получения магния используют не только минеральное сырьё, но и морскую воду.

4. Физические свойства

Магний — металл серебристо-белого цвета с гексагональной решёткой, пространственная группа P 63/mmc, параметры решётки a = 0,32029 нм, c = 0,52000 нм, Z = 2. При обычных условиях поверхность магния покрыта прочной защитной плёнкой оксида магния MgO, которая разрушается при нагреве на воздухе до примерно 600 °C, после чего металл сгорает с ослепительно белым пламенем с образованием оксида и нитрида магния Mg3N2. Плотность магния при 20 °C — 1,737 г/см³, температура плавления металла tпл = 651 °C, температура кипения — tкип = 1103 °C, теплопроводность при 20 °C — 156 Вт/(м·К). Магний высокой чистоты пластичен, хорошо прессуется, прокатывается и поддаётся обработке резанием.

5. Химические свойства

Смесь порошкового магния с перманганатом калия KMnO4 — взрывчатое вещество

Раскаленный магний реагирует с водой:Mg (раск.) + Н2О = MgO + h3↑;Щелочи на магний не действуют, в кислотах он растворяется легко с выделением водорода:Mg + 2HCl = MgCl2 + h3;При нагревании на воздухе магний сгорает, с образованием оксида, также с азотом может образовываться небольшое количество нитрида:2Mg + О2 = 2MgO;3Mg + N2 = Mg3N2

6. Применение

Применяется для восстановления металлического титана из тетрахлорида титана.

6.1. Сплавы

Сплавы на основе магния являются важным конструкционным материалом в авиационной и автомобильной промышленности благодаря их лёгкости и прочности. Цены на магний в слитках в 2006 году составили в среднем 3 долл/кг.

6.2. Химические источники тока

Магний в виде чистого металла, а также его химические соединения (бромид, перхлорат) применяются для производства очень мощных резервных электрических батарей (например, магний-перхлоратный элемент, серно-магниевый элемент, хлористосвинцово-магниевый элемент, хлорсеребряно-магниевый элемент, хлористомедно-магниевый элемент, магний-ванадиевый элемент и др.) и сухих элементов (марганцево-магниевый элемент, висмутисто-магниевый элемент, магний-м-ДНБ элемент и др.). Химические источники тока на основе магния отличаются очень высокими значениями удельных энергетических характеристик и высоким разрядным напряжением.

6.3. Соединения

Гидрид магния — один из наиболее емких аккумуляторов водорода, применяемых для его хранения.

6.4. Огнеупорные материалы

Оксид магния MgO применяется в качестве огнеупорного материала для производства тиглей и специальной футеровки металлургических печей.

Перхлорат магния, Mg(ClO4)2 — (ангидрон) применяется для глубокой осушки газов в лабораториях, и в качестве электролита для химических источников тока с участием магния.

Фторид магния MgF2 — в виде синтетических монокристаллов применяется в оптике (линзы, призмы).

Бромид магния MgBr2 — в качестве электролита для химических резервных источников тока.

6.5. Военное дело

Свойство магния гореть белым ослепительным пламенем широко используется в военной технике для изготовления осветительных и сигнальных ракет, трассирующих пуль и снарядов, зажигательных бомб.

6.6. Медицина

Оксид и соли магния традиционно применяется в медицине в кардиологии, неврологии и гастроентерологии (аспаркам, сульфат магния, цитрат магния, Наиболее интересным природным ресурсом магния является минерал бишофит). Оказалось, что магниевые эффекты бишофита в первую очередь проявляются при транскутанном (через кожном) применении в лечении патологии опорно-двигательного аппарата. Бишофитотерапия использует биологические эффекты природного магния в лечении и реабилитации широкого круга заболеваний, в первую очередь — позвоночника и суставов, последствий травм, нервной и сердечно-сосудистой систем.

6.7. Фотография

Магниевый порошок с окисляющими добавками (нитрат бария,нитрат аммония, перманганат калия, гипохлорит натрия, хлорат калия и т. д.) применялся (и применяется сейчас в редких случаях) в фотоделе в химических фотовспышках (магниевая фотовспышка).

7. Биологическая роль и токсикология

Магний — один из важных биогенных элементов, в значительных количествах содержится в тканях животных и растений. Его биологическая роль сформировалась исторически, в период зарождения и развития протожизни на нашей планете в связи с тем, что морская среда первобытной земли была преимущественно хлоридно-магниевая, в отличии от нынешней — хлоридно-натриевой. Магний является кофактором многих ферментативных реакций. Магний необходим для превращения креатина фосфата в АТФ — нуклеотид, являющийся универсальным поставщиком энергии в живых клетках организма. Магний необходим на всех этапах синтеза белка. Установлено также, что 80—90 % современных людей страдают от дефицита магния. Это может проявляться по-разному: бессонница, хроническая усталость, остеопороз, артрит, фибромиалгия, мигрень, мышечные судороги и спазмы, сердечная аритмия, запоры, предменструальный синдром (ПМС). При потливости, частом употреблении слабительных и мочегонных, алкоголя, больших психических и физических нагрузках (в первую очередь при стрессах и у спортсменов) потребность в магнии увеличивается.

К пище, богатой магнием, относятся: кунжут, отруби, орехи. Магния совсем мало в хлебе, молочных, мясных и других повседневных продуктах питания современного человека. Для получения суточной нормы магния, порядка 300 мг для женщин и 400 мг для мужчин, необходимо выпивать 3—4 литра молока или съедать 1,5—2 кг мяса.[3]

По результатам последних исследований обнаружено, что цитрат магния является наиболее усваиваемым магниесодержащим продуктом. [4][5].

Установлено [6]: чтобы усвоить кальций, организму необходим магний.

Одним из наиболее биологически целесообразных источников магния при транскутанном (чрезкожном) всасывании является минерал бишофит, широко использующийся в целях медицинской реабилитации, физиотерапии и санаторно-курортного лечения. Преимуществом транскутанного применения является высокая биодоступность ионов магния, насыщающего локальные проблемные зоны минуя выделительную систему.

Примечания

1. Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.) Химическая энциклопедия: в 5 т. — Москва: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2. — С. 621. — 671 с. — 100 000 экз.
2. Елена Савинкина Магний - www.krugosvet.ru/node/19541  . Распространение магния в природе и его промышленное извлечение. Онлайн Энциклопедия Кругосвет.
3. Магний в продуктах питания - www.naturcalm.ru/magnij_v_produktah
4. Терещенко Н. П. «Ваше питание — Ваш скрытый враг: роль магния в поддержании кислотно-щелочного равновесия» - www.naturalcalm.ru/article_1.html
5. Гиллхам П. «Чудо-минерал» - www.naturalcalm.ru/magn_book/book.html
6. Магний и дела сердечные - www.kardiocenter.ru/art048.html

Литература

1. Эйдензон М. А., Магний, М., 1969; Тихонов В. Н.
2. Аналитическая химия магния, М., 1973 Иванов А. И., Ляндрес М. Б., Прокофьев О. В.
3. Производство магния, М., 1979. С. И. Дракин. П. М. Чукуров.
4. Дэвис А. Нутрицевтика. Питание для жизни, здоровья и долголетия. — М.: Саттва, Институт трансперсональной психологии, 2004. — С.180—188. — ISBN.5-93509-021-X
5. Минделл Э. Справочник по витаминам и минеральным веществам. — М.: Медицина и питание, 2000. — С.83—85. — ISBN.5-900059-03-0

wreferat.baza-referat.ru

Реферат: "Магний и его свойства"

Выдержка из работы

Содержание

Введение

1. История открытия магния

2. Характеристика по положению в периодической системе Д. И. Менделеева. Физические свойства

3. Распространение в природе. Получение магния

4. Химические свойства магния и его соединений

5. Применение магния и его соединений

Заключение

Литература

Введение

Современная техника предъявляет большой спрос на такие металлы, которые облегчили бы вес машин, станков, самолётов, автомобилей, железнодорожных вагонов, не снижая их прочности. Техническая мысль неустанно работает над тем, чтобы шире использовать металлы, обладающие небольшим удельным весом. Магний является одним из важнейших лёгких металлов, который, наряду с алюминием, всё более широко используется современной техникой, в особенности военной.

До конца прошлого столетия промышленное получение магния находилось в зачаточном состоянии. Он использовался главным образом для пиротехнических целей в виде порошка или узкой ленты. Большое влияние на развитие магниевой промышленности оказало изобретение сплавов на магниевой основе.

Магний -- металл серебристо-белого цвета. Он относится ко второй группе периодической системы элементов Менделеева и по своему внешнему виду и некоторым характерным свойствам несколько напоминает алюминий. Атомный вес магния 24,3, температура плавления 651° С. Температура кипения 1120° С. Магний отличается большой активностью по отношению к кислороду, которая сильно возрастает с увеличением степени измельчения металла и с повышением температуры.

Главнейшее преимущество магния -- малый удельный вес (1,74). Он в четыре с лишним раза легче железа и на одну треть легче алюминия. Магний в чистом виде как материал для конструкций не применяется из-за своей недостаточной прочности. Сплавы магния, сохраняя малый удельный вес (около 1,8, при среднем удельном весе алюминиевых сплавов 2,8, цинка 7,1, меди 8,9), имеют по сравнению с ним новое преимущество -- высокие механические качества и по удельной прочности (отношение временного сопротивления на разрыв к удельному весу) приближаются к основному, широко распространённому алюминиевому сплаву -- дюралюмину.

Магниевые сплавы могут быть целесообразно применены всюду, где важно облегчение веса конструкций и особенно в транспорте и машиностроении. Разнообразные детали моторов самолётов, аэропланные и орудийные колёса, баки для масла и бензина, детали радиоаппаратуры, обшивка железнодорожных вагонов, вагонов метро, трамваев, автобусов и троллейбусов, детали станков, переносный инструмент, бытовые приборы -- вот далеко не полный перечень возможных областей применения магниевых сплавов.

Рассмотрим историю открытия магния, его физические и химические свойства, распространение в природе и области применения.

1. История открытия магния

В конце XVII в. Н. Грю открыл сернокислый магний (горькую соль) в воде эпсомских минеральных источников (Англия). Почти сразу же сульфат магния стал употребляться как лечебное средство и назывался тогда sal anglicum или эпсомской солью. Окись магния известна с начала XVIII в. под названием «горькой земли».

В свободном состоянии магний впервые получен в 1808 г. Гемфри Дэви электролизом увлажненной гидроокиси. Для этого он изготовил из соответствующей смеси небольшой сосуд и ставил его на кусок листовой платины, соединенной с положительным полюсом батареи. В сосуд наливалась ртуть, которая соединялась с помощью погруженной в нее проволоки с отрицательным полюсом батареи. Магний выделялся на катоде и образовывал с ртутью амальгаму. Перегоняя последнюю при нагревании, Дэви получал не особенно чистый металлический магний. В 1829 г. А. Бюсси получил металл в чистом виде.

В царской России магний не производился совершенно, хотя первые удачные опыты по выделению металлического магния из расплавленного карналлита были осуществлены зимой 1914--1915 гг. в Петербургском политехническом институте студентом-дипломником Н. Н. Ворониным под руководством профессора П. П. Федотьева. Об этом первом исследовании получения магния в России, проведенном в условиях, близких к промышленным, П. П. Федотьев писал: «Опыты в нашей лаборатории намечены были в довольно большом масштабе с целью приблизиться по возможности к условиям заводского получения магния».

Название элемента происходит от латинского слова magnesia (Магнезия -- местность в Фессалии). Окись магния различными авторами называлась по-разному. Севергин (1801) называет ее «мыловкой», А. М. Шерер (1807) --«талком», «талковой» или «горькой землей», а Захаров (1810)--«горькоземом». Металлический магний впервые описан Ф. Гизе (1813) под названием «магнезии». Н. П. Щеглов (1830) этот металл называл «горькоземий» и лишь в 1831 г. Г. И. Гесс предложил современное название -- «магний».

По-настоящему проблема магния была решена только в условиях бывшего Советского Союза. П. П. Федотьев, указывая на полную возможность организации производства магния в Советском Союзе, в «Химико-технологических очерках» писал: «В наших условиях естественно прибегнуть к хлористому магнию, добываемому на крымских озерах. Впоследствии могут быть применены соли Соликамского района. Установление магниевого производства не связано ни в какой мере с импортом сырья или аппаратуры и могло бы быть организовано внутренними средствами».

В марте 1931 г. был пущен опытный завод в Ленинграде, а 14 марта 1936 г. был получен первый металлический магний из карналлитов [2, c. 57 — 59].

2. Характеристика по положению в периодической системе Д. И. Менделеева. Физические свойства

Что же представляет собой этот элемент?

Магний -- элемент II группы периодической системы Д. И. Менделеева; третьего периода, главной подгруппы, порядковый номер 12; атомная масса 24,312 у.е. Это легкий (плотность 1,74 г/см) серебристо-белый металл с температурой плавления 651 °C. На воздухе загорается при температуре 550 °C и горит ярким белым пламенем. Если полоску магния внести во влажный хлор, то она воспламенится даже при обычной температуре. Горение магния сопровождается выделением большого количества тепла (605 Кдж/моль) [3, c. 225 — 226].

3. Распространение в природе. Получение магния

Магний принадлежит к числу элементов, наиболее распространённых в земной коре, и занимает восьмое место по распространению. Его запасы во много раз превосходят запасы таких металлов, как медь, никель, цинк. Вследствие своей высокой химической активности магний в земной коре содержится не в свободном состоянии, а в виде соединений. Верхний слой земной коры глубиной до 16 км содержит в среднем около 3,45% соединения магния с кислородом -- окиси магния MgO.

Вымываемая при выветривании окись магния скопляется в морской воде, которая содержит в среднем около 0,14% магния в виде соединения с хлором (хлорида магния MgCl).

Важнейшим сырьём, пригодным для получения магния, являются минералы магнезит, доломит, карналлит и бишофит [4, c. 135 — 136].

Самый распространенный из магнийсодержащих минералов -- доломит представляет собой породообразующий минерал белого, сероватого или других цветов. По своему химическому составу это почти чистый карбонат кальция и магния СаМg (СO). Кроме производства магния, доломит применяется также в качестве огнеупорного материала и флюса в металлургии и химической промышленности, стекольном производстве и других областях промышленности. Доломиты встречаются в Донбассе, Московской и Санкт — Петербургской областях и во многих других местах.

Карналлит представляет собой бесцветный, бурый или красный (цвет зависит от наличия примесей) минерал, формула которого КС1 * MgCl * 6НО. 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 MgCО. Цвет этого минерала разнообразен: снежно-белый, бесцветный, прозрачный магнезит, находят также желтоватые и серовато-бурые образцы. 90% добываемого магнезита используется в качестве огнеупорного материала для производства жженого магнезита (технический MgO), 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 то и лучше его. При этом интересно то, что в искусственном асбесте магний можно заменять барием, железом, никелем и кобальтом.

В природе имеется много других минералов, содержащих значительное количество магния. Упомянем лишь сульфат магния MgSО*7НО, встречающийся в Соликамских и Стасфуртских 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 [3, c. 226 — 227].

Существуют два промышленных способа получения магния: термический и электролитический. Термический способ заключается в прямом восстановлении окиси магния каким-либо восстановителем, например углем, алюминием, кремнием и т. п. Этот способ очень прост по своей идее и поэтому начинает получать развитие в ряде стран. Но широкого производственного распространения он до недавнего времени не получил из-за сложности аппаратуры (реакции восстановления магния протекают при температуре выше 1000°). В основном для промышленного получения магния в настоящее время применяют электролитический способ, заключающийся в электролизе расплавленных магниевых солей, главным образом хлористых. При этом способе на 1 кг магния тратится 20--25 квт-ч электроэнергии; поэтому для развития производства магния, кроме сырья, надо иметь много дешёвой электроэнергии.

Исходный материал перед электролизом должен быть очень чистым и поэтому подвергается сложной предварительной обработке, главным образом с целью удаления воды.

При хлористом способе электролитом является расплав, состоящий из безводных хлоридов магния, калия и натрия. Процесс электролиза осуществляется в ваннах (электролизерах). Электродами являются железный катод, на котором выделяется металлический магний, и графитовые аноды, на которых разряжается хлор.

Расплавленный магний всплывает на поверхность электролита и время от времени вычерпывается из ванны, сливается в ковш и разливается в чушки. магний периодический химический соединение

Хлор по газопроводу отводится за пределы цеха электролиза. Магний, извлекаемый из ванн, обычно содержит ряд примесей, которые делают его непригодным для непосредственного употребления. Поэтому такой магний-сырец требует предварительной очистки от примесей. Из способов очистки магния наибольшее распространение получили рафинирование переплавкой под флюсами и рафинирование возгонкой.

Очищенный металл содержит 99,5--99,85% магния и сотые или тысячные доли процентов железа, кремния, алюминия, хлора, натрия и калия. Рафинированный возгонкой металл является более чистым и содержит 99,96% магния. Очищенный магний разливается по изложницам в чушки и посылается на заводы-потребители [4, c. 136 — 137].

4. Химические свойства магния и его соединений

Взаимодействие с водородом при повышенной температуре приводит к твердому гидриду MgH:

Mg + H = MgH (4. 1)

На воздухе в компактном состоянии он устойчив, но мелко раздробленный способен самовозгораться. С холодной водой вследствие низкой растворимости Mg (OH) магний реагирует медленно, но нагревание заметно ускоряет реакцию:

Mg + 2НO = Mg (OH) + Н (4. 2)

Низкие растворимости оксида и гидроксида магния связаны с ковалентностью связи в них. Этим объясняется также тугоплавкость MgO, представляющей собой полимер (MgO)x. Являясь основанием средней силы, гидроксид магния образует соли, слабогидролизующиеся в концентрированных растворах. Если повысить концентрацию ионов ОН- в растворе, то их гидролиз заметно усиливается.

Магний легко растворяется в кислотах с выделением водорода:

Mg + HCl = MgCl + H (4. 3)

Щелочи на него не действуют. Следовательно, амфотерность у соединений магния отсутствует [5, c. 88 — 89].

Нитрид магния, получается при непосредственном взаимодействии азота с металлами при высокой температуре:

3Mg + N = MgN (4. 4)

При соприкосновении с водой многие нитриды полностью гидролизуются с образованием аммиака и гидроксида металла. Например:

MgN + 6НO = 3Mg (OH) + 2NH (4. 5) [1, c. 400].

При нагревании диоксида кремния с избытком металлического магния восстанавливающийся кремний соединяется с магнием, образуя силицид магния MgSi:

4Mg + SiO = MgSi + 2MgO (4. 6) [1, c. 509].

Хотя магний стоит в ряду напряжений далеко впереди водорода, но, как мы уже говорили, воду он разлагает очень медленно вследствие образования малорастворимого гидроксида магния. При нагревании на воздухе магний сгорает, образуя оксид магния MgO:

2Mg + O = 2 MgO (4. 7)

и небольшое количество нитрида магния MgN [1, c. 612].

5. Применение магния и его соединений

Первыми «нашли» применение магнию зеленые растения. В самом деле, магний входит в состав хлорофилла, который 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, также 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 100 000 000 000 т.

Поэтому магниевые соли давно уже с успехом используются в качестве удобрений: ведь магний участвует в процессах фотосинтеза. Прибавка урожая картофеля, обусловленная магниевыми удобрениями, составляет 27--28 ц с 1 га, и это в Московской области! В других областях (с другим составом почвы) прибавка урожая может быть даже больше!

Входит магний и в состав человеческого организма. Так, магний найден в крови (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. Молекулы ферментов постепенно разрушаются. Поэтому в организме должны все время создаваться новые молекулы. Отсюда постоянная потребность организма в магнии.

В человеческом организме 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. Так, 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 MgCО -- 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.

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

Но многие загадки магния в живом организме еще не разгаданы учеными. Для их разрешения ученые проводят опыты. Оказалось, например, что собаки, в пище которых не достает магния, заболевали инфарктом миокарда. 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 [3, c. 228 — 229].

Главная область применения металлического магния -- это получение на его основе различных легких сплавов. Прибавка к магнию небольших количеств других металлов резко изменяет его механические свойства, сообщая сплаву значительную твердость, прочность и сопротивляемость коррозии. Особенно ценными свойствами обладают сплавы, называемые электронами. Они относятся к трем системам: Mg--Al--Zn, Mg--Мn и Mg--Zn--Zr. Наиболее широкое применение имеют сплавы системы Mg--Al — Zn, содержащие от 3 до 10% А1 и от 0,2 до 3% Zn. Достоинством магниевых сплавов является их малая плотность (около 1,8 г/см). Они используются прежде всего в ракетной технике и в авиастроении, а также в авто-, мото-, приборостроении. Недостаток сплавов магния -- их низкая стойкость против коррозии во влажной атмосфере и в воде, особенно морской.

Чистый магний находит применение в металлургии. Магнийтермическим методом получают некоторые металлы, в частности титан. При производстве некоторых сталей и сплавов цветных металлов магний используется для удаления из них кислорода и серы. Весьма широко применяется магний в промышленности органического синтеза. С его помощью получают многочисленные вещества, принадлежащие к различным классам органических соединений, а также элементорганические соединения. Смеси порошка магния с окислителями употребляются при изготовлении осветительных и зажигательных ракет.

Оксид магния MgO обычно получают путем прокаливания природного магнезита MgCО. Он представляет собой белый рыхлый порошок, известный под названием жженой магнезии. Благодаря высокой температуре плавления (около 3000°С) оксид магния применяется для приготовления огнеупорных тиглей, труб, кирпичей.

Гидроксид магния Mg (OH) получается в виде малорастворимого белого осадка при действии щелочей на растворимые соли магния. В отличие от гидроксида бериллия гидроксид магния обладает только основными свойствами, представляя собой основание средней силы.

Сульфат магния MgSО* 7HО, или горькая соль, содержится в морской воде. В отличие от сульфатов щелочноземельных металлов хорошо растворим в воде.

Хлорид магния MgCl * 6HО образует бесцветные, хорошо растворимые, расплывающиеся на воздухе кристаллы. Гигроскопичность неочищенной поваренной соли обусловливается примесью в ней незначительных количеств хлорида магния.

При действии соды на растворимые соли магния получается не средняя соль, а смесь основных карбонатов. Эта смесь применяется в медицине под названием белой магнезии.

Важное промышленное значение имеет гидроксохлорид магния MgOHCl. Технический продукт получается путем замешивания оксида магния с концентрированным водным раствором хлорида магния и носит название магнезиального цемента. Такая смесь через некоторое время затвердевает, превращаясь в плотную белую, легко полирующуюся массу. Затвердевание можно объяснить тем, что гидроксохлорид, первоначально образующийся согласно уравнению:

MgO + MgCl + HO = 2MgOHCl (5. 1)

затем полимеризуется в цепи типа --Mg--О--Mg--О--Mg--, на концах которых находятся атомы хлора или гидроксильные группы.

Магнезиальный цемент в качестве вяжущего материала применяется при изготовлении мельничных жерновов, точильных камней, различных плит. Смесь его с древесными опилками под названием ксилолита используют для покрытия полов.

Большое применение находят природные силикаты магния: тальк 3MgO * 4SiО* HО и особенно асбест CaO * 3MgO * 4SiО. Последний, благодаря своей огнестойкости, малой теплопроводности и волокнистой структуре, является прекрасным теплоизоляционным материалом [1, c. 612 — 614].

Заключение

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 слитку металла красивый матовый оттенок, предохраняет его от дальнейшего окисления.

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

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 * 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 -- встречается на Земле чаще магния. Эта значительная распространенность магния позволяет добывать его из камней, которые попадаются нам под ноги. Ведь в килограмме такого камня почти 1/60 его атомов принадлежат магнию, т. е. 21 г. Но в промышленности используются другие, более простые и дешевые способы получения магния.

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

Литература

1. Глинка Н. Л. Общая химия. — Л.: Химия, 1978. — 720 с.

2. Диогенов Г. Г. История открытия химических элементов. — М.: Государственное учебно — педагогическое издательство Министерства Просвещения РСФСР, 1960. — 232 с.

3. Книга для чтения по неорганической химии. — М.: Просвещение, 1975. — 303 с.

4. Книга для чтения по химии. — М.: Государственное учебно — педагогическое издательство Министерства Просвещения РСФСР, 1956. — 528с.

5. Фадеев Г. Н., Сычев А. П. Мир металлов и сплавов. — М.: Просвещение, 1978. — 191 с.

sinp.com.ua

Реферат: Магний

Академия сельскохозяйственных наук

Реферат на тему:

Mg

  МАГНИЙ

                 Выполнила: ученица 11 класса

                            Средней школы-лицей

                            С. Дмитриево-Помряскино

                            Кожанова Ольга

2000 г.

План:

            1.   Характеристика элемента.

            2.   Получение магния.

            3.   Свойства магния.

3.1. Физические свойства магния.

3.2. Химические свойства магния.

4.   Соединения магния.

4.1. Неорганические соединения

            4.2. Магнийорганические соединения

            5.   Природные соединения магния

            6.   Определение магния в почвах, в воде

            7.   Биологическое значение магния

            8.   Области применения магния

            9.   Жесткость воды

10. Практическая работа «Определение жесткости воды»

1. Характеристика элемента

Название «магнезия» встречается уже в III веке н.э., хотя не вполне ясно, какое вещество оно обозначает. Долгое время магнезит - карбонат магния - ошибочно отождествляли с известняком - карбонатом кальция. Слово магнезия происходит от названия одного из Греческих городов - Магнесии. До XVIII века соединения магния считали разновидностями кальциевых или натриевых солей. Открытию магния способствовало изучение состава минеральных вод. В 1695 году английский врач Крю сообщил, что им выделена из воды эпсомского минерального источника соль, обладающая лечебными свойствами, и вскоре был доказан её индивидуальный характер. Затем стали известны и другие соединения магния. Карбонат магния получил название "белая магнезия", в отличие от «чёрной магнезии» - оксида марганца. Отсюда и созвучие названий металлов, выделенных впоследствии из этих соединений.

Впервые магний был получен Деви (XIX в.) из окиси магния. Бюсси, Либих, Девильс, Карон и др получали магний действием паров калия или натрия на хлористый магний.

В 1808 г. английский химик Г. Деви электролизом увлажнённой 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 года 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. В 1830 г. он впервые получил магний электролизом расплавленного хлористого магния.

Промышленное производство магния электролитическим способом предпринято в Германии в конце XIX в. Перед второй мировой войной началось освоение термических способов получения магния.

В настоящее время наряду с развитием электролитического способа совершенствуются силикотермический и карботермический способы получения магния. На первой стадии развития магниевой промышленности в качестве сырья применяли хлористые соли карналлит, природные рассолы, хлоромагниевые щёлочи калийной промышленности.

Сейчас наряду с хлористыми солями широко используют доломит и магнезит. Большой интерес представляет применение в качестве сырья для производства магния из морской воды. В России электролитический метод получения магния впервые разработал П.П. Федотьев в 1914 г. в Петроградском политехническом институте. В 1931 г. в Ленинграде вступил в строй первый опытный магниевый завод. Промышленное производство магния в СССР начато в 1935 г.

+12Mg )))  1S2  2S2     2P6       3S2  3P0 –электронная формула нормального атома

     282  

При затрате необходимой энергии один из электронов переходит в P-состояние, т.е. оба электрона становятся неспаренными. Поэтому магний проявляет степень окисления +2.

3S2-валентные электроны

1S2     2S2     2P6       3S1         3P1

                                        - электронная формула возбуждённого атома

+12Mg +P12,n012

                   e12

Строение внешней электронной оболочки магния, обладающей структурой 3S2, с двумя слабо связанными электронами объясняет восстановительный характер типичных реакций, в которых магний переходит в двухвалентный катион Mg2+. Благодаря большому химическому сродству к кислороду, магний способен отнимать кислород у многих окислов и хлор у хлоридов. Это свойство в последнее время используется при магниетермическом получении титана, циркония, урана. При комнатной температуре на воздухе компактный магний химически стоек.  На его поверхности образуется окисная пленка, предох­раняющая от окисления. При нагревании химическая активность магния воз­растает. Считается, что верхний температурный предел устойчивости магния в кислороде находится в интервале 350-400 оС.  Кипящую воду магний разлагает с выделением водорода. 

На магний не оказывает заметного действия  дис­тиллированная вода,  фтористоводородная  кислота  любой  концентрации, хромовая кислота,  водные растворы фтористых солей  и  др. 

Разрушающее действие оказывает на  магний морская и минеральная вода,  водные растворы соля­ной, серной, азотной, фосфорной, кремнефтористоводородной кислот, вод­ные растворы галоидных солей,  сернистых соединений, аммиак и его вод­ные растворы,  органические кислоты, гликоли и гликолевые смеси, многи альдегиды.

Магний - один из самых распространенных в земной  коре  элементов,  по распространенности занимает  шестое  место  после кислорода,  кремния, алюминия, железа и кальция.  Содержание магния в литосфере, по А.П. Ви­ноградову, сотавляет 2,10%. В природе магний встречается исключительно в виде соединений и входит в состав многих минералов:  карбонатов, си­ликатов и др.  Важнейшими являются следующие из них: магнезит MgCO3, доломит MgCO3*CaCO3,  карналлит MgCl2*KCL*6h3O,  бруцит Mg(OH)2, кизерит MgSO4,   эпсонит  MgSO4*7h3O,  каинит  MgSO4*KCl*3h3O,  оливин (Mg,Fe)2 [SiO4], серпентин h5Mg3Si2O9.

Природный или естественный маг­ний представляет  собой  смесь  трех устойчивых изотопов 24Mg -78,6 %, 25Mg -10,1 %, 26Mg -11,3 %.

В реакциях  магний  практически  всегда проявляет степень окисления +2 (валентность II).  Для того,  чтобы перевести атом магния из состояния 3S2 в  реакционноспособное  состояние  3S13P1,  нужно  затратить 259 КДж/моль, а при последовательном отрыве электронов,  т.е. ионизации Mg до Mg+ и Mg+2,  требуется соответственно 737 КДж/моль и 1450 КДж/моль. Магний кристаллизуется в гексагональную плотноупакованную решетку.

2. ПОЛУЧЕНИЕ МАГНИЯ.

Преобладающий промышленный способ получения магния - электролиз расплава смеси MgCl2

MgCl2   Mg2+ 2Cl-

К  -)   А  +)

Mg2+ +2e Mg0   2Cl- -2e Cl20

         ЭЛ-3

2MgCl2         2Mg + 2Cl2

       расплава

в безводных MgCl2, KCl, NaCl. Для получения расплава исполь­зуют обезвоженный карналлит или бимофит,  а  также  MgCl2,  полученный хлорированием MgO  или  как  отход  при  производстве Ti.

Температура электролиза 700-720 оС,  аноды графитовые,  катоды стальные. Со­держание MgCl2  в  расплаве  5-8  %,  при снижении концентрации до 4 % уменьшается выход магния по току, при повышении концентрации MgCl2 вы­ше 8 % увеличивается расход электроэнергии. Для обеспечения оптимально­го содержания MgCl2 периодически отбирают часть отработанного электро­лита и  добавляют свежий карналлит или MgCl2.  Жидкий магний всплывает на поверхность электролита, откуда его отбирают вакуумным ковшом. Изв­лекаемый магниевый сырец содержит 0,1%  примесей. Для очистки от неме­таллических примесей магний переплавляют с  флюсами  -  хлоридами  или фторидами K,Ba,Na,Mg. Глубокую очистку осуществляют перегонкой в вакуу­ме, зонной плавкой, электролитическим рафинированием. В результате по­лучают магний чистотой 99,999 %.

Кроме магния при электролизе получают также Cl2. В термических спосо­бах получения  магния  сырьем служит магнезит или доломит,  из которых прокаливанием получают MgO. 2Mg+O2=2MgO. В реторных  или вращающих печах с графитовыми или угольными нагревателями оксид восстанавливают до  металла  кремнием  (силиконотермический способ) или  CaC2  (карбидотермический способ) при 1280-1300 оС, либо углеродом (карботермический способ) при темпратуре выше 2100 оС. В  карботермическом способе (MgO+C  Mg+CO) образующуяся смесь CO и паров магния быстро охлаждают при выходе из печи инертным газом  для предотвращения обратной реакции с магнием.

3. СВОЙСТВА МАГНИЯ.

3.1. Физические свойства магния.

Магний -  серебристо-белый  блестящий  металл,  сравнительно  мягкий и пластичный, хороший проводник тепла и электричества.  Почти  в  5  раз легче меди,  в 4,5 раза легче железа; даже алюминий в 1,5 раза тяжелее магния. Плавится магний при темпратуре 651 оС,  но в обычных усло­виях расплавить его довольно трудно: нагретый на воздухе до 550 оС он вспыхивает и мгновенно сгорает ослепительно ярким пламенем. По­лоску магниевой фольги легко поджечь обыкновенной спичкой,  а в атмос­фере хлора магний самовозгорается даже при комнатной  температуре.  При горении магния  выделяется большое количество ультрафиолетовых лучей и тепла - чтобы нагреть стакан ледяной воды до кипения, нужно сжечь все­го 4 г магния.

Магний расположен в главной подгрупп второй группы периодической  сис­темы элементов Д.И. Менделеева. Порядковый номер его - 12, атомный вес - 24,312.  Электронная конфигурация атома магния в невозбужденном сос­тоянии 1S22S2P63S2;  валентными  являются электроны наружного слоя,  в соответствии с этим магний проявляет валентность II.  В тесной связи со строением электронных  оболочек атома магния находится его реакционная способность. Из-за наличия на внешней оболочке только  двух  электронов атом магния  склонен легко отдавать их для получения устойчивой восьми­электронной конфигурации;  поэтому магний в химическом отношении очень активен.

На воздухе магний окисляется,  но образующаяся при этом окисная пленка предохраняет металл  от дальнейшего окисления.  Нормальный электронный потенциал магния в кислой среде равен -2,37в,  в щелочной  -  2,69в.  В разбавленных кислотах магний растворяется уже на холоде.  Во фтористо­водородной кислоте нерастворим вследствие образования пленки из  труд­норастворимого в воде фторида MgF2; в концентрированной серной кислоте почти нерастворим.  Магний легко растворяется при  действии  растворов солей аммония. Растворы щелочей на него не действуют. Магний поступает в лаборатории в виде порошка или лент.  Если поджечь магниевю ленту, то она быстро сгорает с ослепительной вспышкой, развивая высокую темпера­туру. Магниевые вспышки применяют в фотографии, в изготовлении освети­тельных ракет.  Температура  кипения  магния 1107 оС,  плотность = 1,74 г/см3, радиус атома 1,60 НМ.

3.2. Химические свойства магния.

Химические свойства магния довольно  своеобразны.  Он  легко  отнимает кислород и хлор у большинства элементов,  не боится едких щелочей, со­ды, керосина,  бензина и минеральных масел.  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 с  водяным  паром, нагретым выше 380 оС:

                         -2e

Mg0(тв)+h3+O(газ)    Mg+2O(тв)+h30 (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    -4е

2Mg0 + C+4O2          2Mg+2O+C0,

Прекратить к  горящему  магнию доступ кислорода можно засыпав его пес­ком, хотя и с оксидом кремния (IV) магний взаимодействует,  но со зна­чительно меньшим выделением теплоты:

                              -4е

этим и определяется возможность использования песка для тушения  крем­ния. Опасность  возгорания магния при интенсивном нагреве одна из при­чин, по которым его использование как технического материала ограниче­на.

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, концентрированной  серной  и в смеси серной и в смеси 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:

2NH+4+Mg=Mg2+ + 2Nh4   + h3

Удивительного в этой реакции нет. Эта реакция та же по существу, что и реакция вытеснения металлами водорода из кислот.  В одном из определе­ний кислотой называют вещество,  диссоциирующее с  образованием  ионов водорода. Именно так может диссоциировать и ион Nh5:

Nh5+      Nh4+H+

                                                                                 -2e

Mg0 + 2HCl=Mg+2Cl2+H02

2H++Mg    Mg2+ + H02

При нагревании магния в атмосфере галогенов происходит воспламенение и образование галоидных солей.

             -2e

          Mg + Cl20    Mg+2+Cl2-

 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  с  серой  (MgS),  и  с  азотом (Mg3N2). При повышенном давлении и нагревании с водородом магний обра­зует гидрид магния

                         -2e

Mg0 + h30    Mg+2h3-.

Большое сродство магния к хлору позволило создать новое металлургичес­кое производство - "магниетермию" - получение  металлов  в  результате реакции

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

                             -4e

Ti+4Cl4 + 2Mg0    Ti0+2Mg+2Cl2

Образовавшийся хлорид магния вновь используется для производства  маг­ния и т.д.  На основе этих реакций работают титаномагниевые комбинаты. Попутно с титаном и магнием получают при этом и другие  продукты,  та­кие, как бертолетову соль KClO3, хлор, бром и изделия - фибролитовые и ксилитовые плиты,  о которых будет сказано ниже.  В таком  комплексном производстве степень использования сырья,  рентабельность производства высока, а масса отходов не велика, что особенно важно для охраны окру­жающей среды от загрязнений.

4. Соединения магния.

Для аналитической  химии магния имеют значение его труднорастворимые и особенно внутрикомплексные (бесцветные,  окрашенные или  флуорисцирую­щие) соединения.  Поляризующая  способность иона Mg2+ невысокая,  а по величине кэффициента поляризации,  характеризующего количественно  де­формируемость иона,  магний  уступает  большинству  металлов.  Поэтому комплексные соединения магния сравнительно малоустойчивы и  образуются, как правило,  только в щелочной среде.  Тем не менее, они имеют чрезвы­чайно важное значение для аналитической химии магния. Меньшая устойчи­вость некоторых комплексных соединений магния, по сравнению с комплек­сами других металлов,  иногда используется для маскирования  последних при определении  магния  титриметрическими,  фотометрическими и другими методами.

4.1. Неорганические соединения магния.

Важнейшие соединения магния: оксид, гидроксид и соли магния.

Оксид магния - MgO хорошо знаком тем,  кто занимается гимнастикой. На­несенный на  ладони  порошок  оксида  магния  (магнезии)  предохраняет спортсмена от опасности сорваться с гимнастического снаряда  (например перекладины).

Оксид магния - легкий,  рыхлый порошок белого цвета, легко связывающий воду. На этом и основано его применение гимнастами.

                  -4е

MgO образуется при прокаливании гидроокиси и многих других  соединений магния. Окись магния плавится при 2800оС, растворимость ее в во­де составляет 0,00062 г/100 г при 20оС.  Аморфная  окись магния, полученная прокаливанием соединений магния при низких температу­рах, гигроскопична,  легко поглощает из воздуха влагу и углекислый газ с образованием основных карбонатов; хорошо растворяется в кислотах и в солях аммония.  При прокаливании до 1000оС и выше  образуется кристаллическая окись  магния  (кубическая  сингония),  которая теряет способность поглощать влагу и растворяться в кислотах. По литературным данным, прокаленная  при  1000оС окись магния не меняет своего веса, если даже оставить на один час на воздухе. Все же желательно ох­лаждать окись  магния  при весовых определениях в эксикаторе и взвеши­вать по возможности быстро.

Оксид магния встречается в природе в виде минерала периклаза.  Получае­мый прокаливанием природного магнезита оксид магния является  исходным продуктом и для получения самого магния, и для получения искусственных строительных материалов ("ксилолит").  В основе ксилолита лежит магне­зиальный цемент,  получаемый  смешиванием прокаленного оксида магния с 30% раствором хлорида магния. Образование полимерной структуры из ато­мов магния,  связанных в цепь -O-Mg-O-Mg-O-, приводит к тому, что смесь через несколько часов образует белую, очень прочную и легко полирующу­юся массу.  При  изготовлении  ксилолита к смеси примешивают древесные опилки и другие наполнители.  Ксилолитовые плиты используют для покры­тия полов.

Карбонат магния (MgCO3) - бесцветное кристаллическое вещество, труднораствори­мое в воде - растворимость его 0,0094 г/100г при 18оС. Карбонат из водных растворов выделяется лишь в присутствии большого избытка ок­сида углерода (IV) CO2;  обычно образуются основные карбонаты.  Из них основной карбонат 3MgCO3*Mg(OH)2*3h3O - соединение,  труднорастворимое в воде  (0,04 г/100г),  но растворимое в солях аммония.  При 900-1000оС разлагается с образованием окиси магния.  При пропускании уг­лекислого газа  через  водную  взвесь  карбоната магния происходит его растворение, благодаря образованию кислой соли (гидрокарбоната).

 MgCO3+CO2+h3O   Mg(HCO3)2

Двойной карбонат магния и кальция MgCO3*CaCO3 - доломит - самое  расп­ространенное природное соединение магния,  образует огромные залежи,  в которых минерал часто бывает окрашен примесями в более или менее  тем­ные цвета.  Карбонаты магния - магнезит и доломит широко применяют для изготовления огнеупорных материалов путем обжига их до оксидов.  Такие материалы идут, например, на обкладку внутренней поверхности конверте­ров для производства стали. Полуобожженный доломит - смесь MgO и CaCO3 используют для  изготовления  строительных плит и в качестве добавки в почву и воду для уменьшения их кислотности.

Искусственно приготовленный  основной карбонат магния является исходным материалом для приготовления других соединений магния, он растворяется в кислотах гораздо быстрее,  чем магнезит.  Кроме того, его применяют как составную часть пудры,  зубных порошков,  а так же как  наполнитель  в производстве красок, бумаги и резины.

Сульфат магния MgSo4

Из кислот магний выделяет водород:

Mg + h3SO4 = MgSO4+h3

MgSO4, в отличии от труднорастворимых сульфатов  щелочноземельных  металлов легко растворим в воде;  растворимость 36,6 г MgSO4/100 г при 18оС. Образует кристаллогидраты с 1,2,3,5,6,7 и 12  молекулами  воды,из которых  важнейшими  являются  моногидрат  (кизерит)  и гептагидрат (горькая соль).  Кизерит MgSO4 * h3O обезвоживается при 320-300оС. Безводный  MgSO4 при температуре 1100-1200оС частично разлагается на MgO, SO2 и O2. Кизерит встречается в природе в виде приме­сей в месторождениях калийных солей и карналлита.  Интересно, что нес­мотря на значительную растворимость сульфата магния, кизерит очень  мед­ленно переходит  в  раствор.  Поэтому при выщелачивании калийных солей остается в осадке в виде похожей на песок массы, которую перерабатыва­ют в горькую соль. Горькая соль MgSO4*7h3O в природе содержится в оса­дочных породах,  остающихся после высыхания озер, а также кристаллизу­ется из вод минеральных источников. На воздухе постепенно выветривает­ся. Применяется для пропитки марли с целью снижения ее горючести,  как наполнитель в  производстве  бумаги  и  в медицине - как слабительное. Сульфат магния гидролизуется очень слабо: 0,2N раствор его при 25оС показывает степень гидролиза 0,0047%.

Mg(ClO4)2 - "ангидрон",  дает гидраты с 2,4,6 молекулами воды. Раство­римость в воде 99,6 г/100г при 25оС. Безводный перхлорат магния очень сильно  поглощает влагу;  выше 250оС он разлагается.  Ис­пользуется как осушитель органических веществ и газов.

Гидроокись магния

2MgO+2h3O=2Mg(OH)2 выделяется при действии щелочей на растворы солей магния в виде объемистого студенистого  осадка.  Гидроо­кись магния - слабое основание,  легко растворяется в кислотах, из воз­духа поглощает углекислый газ.  Растворимость ее  в  воде  зависит  от степени старения,  для  свежеосажденной  гидроокиси  магния  составляет 7,0*10 -4 моль/л.

Хлорид магния

                            -2е    

образует гидраты с 1,2,4,6 молекулами воды. Растворимость его в воде 54,5 г/100г при 20оС  (в  расчете  на безводную соль).  Хлорид  магния  с хлоридами щелочных металлов образует двойные соли, важнейшие из них - карналлит

MgCl2*KCl2*6h3O.

Для нитрата  магния Mg(NO3)2 известны гидраты с 2,6 и 9 молекулами во­ды. Растворимость Mg(NO3)2*6h3O в  воде  при  25оС  составляет 75г/100г, для Mg(NO3)2*9h3O) при 25оС - 50,6г/100г. Получение:

Mg + 2HNO3       Mg(NO3)2+h3

Фторид магния MgF2 - труднорастворимое в воде соединение. Плавится при 1265оС, с фторидами щелочных металлов образует двойные соли ти­па

M1F*MgF2 и 2M1F*MgF2.

4.2. Магнийорганические соединения.

Соединения магния с органическими кислотами.

Ацетат магния Mg(Ch4COO)2 - хорошо растворимое в воде соединение.

Оксалат магния MgC2O4 - труднорастворимое соединение. В растворах окса­латов щелочных металлов или аммония оксалат магния образует комплексный ион [Mg(C2O4)2]-2.

Из органических кислот большое значение имеют аминополикарбоновые  кис­лоты - комплексоны,  особенно комплексон III.  Прочность комплексоната магния значительно ниже,  чем комплексонатов почти всех остальных  ме­таллов.

Окрашенные соединения магния с органическими реагентами.

Для аналитической химии магния большое значение имеют окрашенные соеди­нения его с органическими реагентами, используемые в качестве комплек­сонометрических индикаторов,  для  фотометрического  определения и для обнаружения магния.  Ион магния не обладает хромофорным действием, поэ­тому цветные  реакции дают только соединения его с окрашенными органи­ческими реагентами.  Из них наиболее важны азосоединения, меньшее зна­чение имеют трифенилметановые красители и соединения других классов.

соединения магния с азокрасителями.

При взаимодействии магния с некоторыми азокрасителями образуются интен­сивно окрашенные внутрикомплексные соединения. Саввин и Петрова изучи­ли цветные  реакции  магния  с  азосоединениями на основе хромотропной кислоты. Некоторые из них с магнием дают интенсивно  окрашенные  комп­лексы, пригодные  для фотометрического определения магния.  Диль и Эл­лингбоэ изучили образование магнием окрашенных соединений с 26  моноа­зосоединениями с  целью  использования  их  в качестве индикаторов для комплексонометрического определения магния.

К магнийорганическим относят химические соединения,  в которых атом углерода непосредственно связан с атомом магния.  Они представляют отдельный очень важный класс соеди­нений магния.  С  их  помощью химики синтезировали огромное количество органических соединений:  лекарственных препаратов, витаминов, душистых веществ и т.д.  История металлоорганических соединений началась в 1849 г, когда молодой английский химик Франкланд получил вещество,  в кото­ром атом  углерода был непосредственно связан с цинком.  Своей способ­ностью вступать во все возможные реакции они сразу же привлекли внима­ние химиков. Однако их чрезвычайная активность, например, они мгновен­но самовоспламенялись на воздухе, сильно затрудняла работу с этими ве­ществами. В 1899 г французский ученый Ф.Барбье предложил заменить цинк на магний,  обнаружив,  что в присутствии диэтилового, "серного" эфира магний легко вступает в те же реакции, что и цинк.

Магнийорганические соединения оказались значительно  эффективнее  цин­ко-органических, менее  опасными  в обращении и получили широкое расп­ространение. Особая заслуга в их исследовании и внедрении в лаборатор­ную практику принадлежит выдающемуся французскому химику В.Гриньяру. В 1900г он усовершенствовал метод синтеза, предложив разделить реакцию на две стадии:  1 - образование смешанного магнийорганического соединения в эфирной среде:

Ch4Cl+Mg   Ch4MgCl

R1X+Mg    RMgX, где R - углеводородный радикал, а Х - галоген; 2 - взаимодействие RMgX с соединением, содержащим карбонильную группу, приводит к образованию новой углерод-углеродной связи.  Реакции такого типа получили  название по имени автора открытия - "реакции Гриньяра". За эти работы В.Гриньяр был удостоен в 1912г Нобелевской премии. Магнийорганические галогениды  нашли широкое применение в органическом синтезе. С их помощью можно получать соединения  различных  классов  ­спирты, альдегиды,  кетоны,  эфиры,  органические  кислоты и т.д.  Сам В.Гриньяр писал 1926г так: "Подобно хорошо настроенной скрипке, магни­йорганические соединения под опытными пальцами могут дать звучание все новым неожиданным и более гармоничным аккордам". Использование магнийор­ганических соединений позволило получить органические производные мно­гих элементов и привело к развитию целого направления - химии  элемен­тоорганических соединений,  успешно  развиваемое в нашей стране школой академика А.Н. Несмеянова.

К сожалению,  создание  крупномасштабного производства на основе магни­йорганических соединений встречает значительные трудности из-за исклю­чительной пожароопасности эфира. В настоящее время разрабатываются ме­тодики применения магнийорганических соединений  с  использованием  не столь горючих растворителей. Вероятно, недалеко то время, когда магни­йорганические соединения будут применяться и в химической технологии.

5. Природные соединения магния.

Минералы, в состав которых входит магний, использовались человеком,  на­чиная с каменного века. Зеленый, смешанный магниево-кальциевый минерал состава 2CaO*5ЭO*h3O*8SiO2 (Э-обозначает переменное кол-во магния и же­леза) 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 помогает при заболеваниях  почек. Другой магниевый минерал - асбест используется издревле для изготовле­ния фитилей.  В отличие от фитилей из хлопка, войлок и других материа­лов органической природы гореть в асбесте нечему: состав его выражает­ся формулой

3MgO*2h3O*2SiO2.

Широко известен  и другой магниевый минерал - тальк,  который содержит на каждую  частицу   магния   вдвое   больше   оксида   кремния   (IV)

3MgO*h3O*4SiO2.

Этот минерал называют также "мыльным камнем",  стеати­том или, по-русски, "жировиком". Тальком присыпают поверхность готовых резиновых изделий во избежании их слипания при хранении.

Мир минералов богат и разнообразен. их известно более двух тысяч. Око­ло 10%  из этого огромного количества минералов - магниевые. Магний по распространенности в природе занимает восьмое место.  В большей  части этих минералов,  как и в нефрите, асбесте и тальке, оксид магния связан с кремнеземом SiO2 - самым распространенным химическим соединением  на Земле. Вместе  с  магнием в состав магниевых минералов подчас входят и другие элементы - металлы.  Один из таких минералов -  оливин  Э2SiO4, где Э означает суммарное число атомов магния и железа.  Среди минералов магния есть и такие,  которые по красоте могут конкурировать с извест­ными драгоценными камнями. Это водный силикат магния, окрашенный приме­сями в густой винно-желтый цвет,  обнаруженный на Памире - клиногулит; он похож на драгоценный циркониевый минерал - глаулит.

Огромное количество магния содержится в водах океанов,  морей и соленых озер. В  среднем  в  одном  м3 воды содержится более одного килограмма магния. В некоторых странах, не имеющих магниевого сырья (Англия, Норве­гия, Италия),  налажено  производство магния из морской воды.  Морское происхождение имеют и  ископаемые  месторождения  магниевого  минерала "карналлита". В  отдаленном  геологическом  прошлом Земли неоднократно образовывались и высыхали моря и озера.  При их испарении образовались гигантские залежи природных солей магния - карналлит - MgCl2*KCl*6h3O.

6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАГНИЯ В ПОЧВАХ, В ВОДЕ.

Общее содержание магния в почвах колеблется в пределах от 0,1 до 1%, содержание обменного магния составляет сотые и десятые доли процента.

Методы выделения магния из почвы. Для извлечения обменного магния из почвы, предложены различные экстрагенты: 1М нейтральный раствор Ch4COONh5, 2М раствор Ch4COONh5 и т.д.

Метоты определения. Обменный магний в почвах можно определить комплексонометрическим методом. Однако из-за незначительного содержания магния в почвах для его определения лучше применять ортометрические методы: с титановым жёлтым, 8-оксихинолином и бриллиантовым жёлтым.

15 мл экстракта почвы, полученного обработкой 1М раствора Ch4COONh5, помещают в мерную колбу ёмкостью 25 мл. Если объём аликвотной части меньше 15 мл, то его доводят до 15 мл 1М раствором Ch4COONh5, добавляют последовательно, перемешивая раствор после прибавления каждого реагента: 5 мл смеси, содержащей равные части однопроцентного раствора поливинилового спирта, 0,5% раствора NaHSO3 и компенсационного раствора, 1 мл 0,04% раствора титанового жёлтого, 4мл 10N раствора NaOH и измеряют оптическую плотность на фотоколориметре при 540 НМ.

Обменный магний в почвах можно определять атомно-абсорбционным методом. 10г почвы встряхивают 30 минут с 50 мл 1М раствора Ch4COONh5 с pH 5,9. Смесь фильтруют, промывают тем же раствором. Фильтрат с промывными водами разбавляют 1М раствором Ch4COONh5 в мерной колбе до 100 мл, распыляют в пламя и фотометрируют. Стандартные растворы для получения данных для составления калибровочного графика должны содержать 0-100 мкг Mg/мл. Их готовят разбавлением смеси, содержащей 500 мкг Mg/мл, 2 мг Ca/мл, 50 мкг Na/мл и 125 мкг K/мл в 1М растворе Ch4COONh5.

Определение в воде, кисотах и электролитах.

Для определения магния в воде можно использовать фотометрический метод с пикроминазо.

5-10 мл воды переносят в мерную колбу ёмкостью 50 мл, добавляют 2 мл 0,005 % раствора микроминазо, 5 мл 0,5% раствора желатина, 15 мл 20% раствора NaOH и доводят объём водой до метки. Через 10-15 минут измеряют оптическую плотность. Малые количества магния в летучих кислотах предложено определять комплексонометрическим методом после удаления кислоты выпариванием досуха.

7. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ МАГНИЯ.

Живая материя содержит сотые доли процента магния, но эти доли процента исключительно важны. Магний входит в состав хлорофилла – зелёного пигмента растений, первичного приёмника солнечной энергии. С поглощения света хлорофиллом начинается один из важенйших природных процессов – фотосинтез. Его продуктами является и основная растительная масса, и кислород. Без магния нет хлорофилла, а без хлорофилла была бы невозможна жизнь на нашей планете. Функция молекул хлорофилла состоит в положении фотонов красной области видимого спектра (около 700 нМ) и передаче энергии возбуждения другим частицам, участвующим в цепи реакций, приводящих, в конечном счёте, к соединению воды и углекислого газа и их превращения в глюкозу с одновременным выделением молекулярного кислорода

6CO2 + 6h3O = C6h22O6 + 6O2

Опыты, проведённые венгерскими учёными на животных, показали, что недостаток магния в организме повышает предрасположенность к инфаркту. Французские биологи считают, что магний поможет медикам бороться с таким серьёзным недугом XXв, как переутомление. Исследования показывают, что в крови уставших людей уменьшается содержание магния, он как бы, «сгорает», что приводит к нарушениям работы сердечных мышц. При недостатке в почве солей магния рост и развитие растений приостанавливаются. При использовании органических удобрений обеспечивается круговорот магния. В случае же применения только минеральных удобрений необходимо периодическое введение в почву и магниевых соединений. Особенно нуждаются в магниевой подкормке растения –сахароносы: сахарная свекла и сахарный тростник.

Вам сына, или дочь?

Недавно биологи Франции установили любопытное влияние ряда элементов на… получение потомства. Оказывается, избыток калия в пище матери приводит к тому, что у неё рождаются преимущественно дети мужского пола. Если же её пища насыщена кальцием и магнием, то в потомстве преобладает женский пол. Возможно уже вскоре для будущих матерей врачи разработают специальные меню, гарантирующие рождение мальчика или девочки по заказу. Но прежде нужно будет ещё уточнить, распространяется ли подмеченное влияние этих элементов на человека: ведь описанные наблюдения относятся к коровам.

Французские биологи считают, что магний поможет медикам в борьбе с переутомлением. Исследования показывают, что в крови уставших людей содержится меньше магния, чем у здоровых, а даже самые ничтожные отклонения «магниевой крови» от нормы не проходят бесследно.

Важно помнить, что в тех случаях, когда человек часто и по любому поводу раздражается, магний, содержащийся в организме «сгорает». Вот почему у нервных, легко возбудимых людей нарушение работы сердечных мышц наблюдаются значительно чаще.

8. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МАГНИЯ.

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) создаётся электрическая цепь. Происходит разрушение магниевого протектора; основная же стальная часть конструкции при этом сохраняется. В металлургии магний используют как «раскислитель» – 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 лёгкость (1,8 г/см3) и прекрасные механические свойства. Их используют в тех отраслях техники, где особенно высоко ценится лёгкость: в самолёто- и ракетостроении. В последние годы созданы новые устойчивые на воздухе магниево-литиевые сплавы с совсем малой плотностью (1,35 г/см3). Их использование в технике очень перспективно. Магниевые сплавы цены не только из-за своей лёгкости. Их теплоёмкость 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» твёрже и прочнее алюминия, легче обрабатывается и полируется. Число металлов, с которыми магний образует сплавы, велико. Из диаграммы, иллюстрирующей правило Юм-Розери, ясна удивительная особенность магния не смешиваться в расплаве со своим близким по положению в таблице Менделеева соседом – бериллием. Из-за сильного различия межатомных расстояний не образует магний сплавов и с железом.

Среди кислородных соединений Mg нужно отметить оксид магния MgO, называемый также жжёной магнезией. Он применяется в изготовлении огнеупорных кирпичей, т.к. температура его плавления 2800оС. Жжёная магнезия используется и в медицинской практике.

Интересны силикаты магния – тальк 3MgO*4SiO2*h3O и асбест CaO*MgO*4SiO2, обладающие высокой огнестойкостью. Асбест имеет волокнистое строение, поэтому его можно прясть и изготавливать из него спецодежду для работы при высоких температурах. Карбонаты и силикаты магния в воде нерастворимы.

Интерес к магнию и сплавам на его основе обусловлен, с одной стороны, сочетанием важных для практического использования свойств, а с другой стороны, большими сырьевыми ресурсами магния. Велика сфера использования магния и магниевых сплавов со специальными химическими свойствами, например в источниках тока и для протекторов при защите стальных сооружений от коррозии.

В СНГ, как и за рубежом, имеются большие запасы минерального сырья магния, удобные для его извлечения. Это месторождения твёрдых солей, содержащих магний, а также рассолы ряда соляных озёр. Кроме того, магний может извлекаться из морской воды. Таким образом для магния не стоит проблема истощения сырьевых ресурсов, которая приобретает всё большее значение для многих других, промышленно важных металлов. Хотя магний является одним из основных промышленных металлов, но объём его производства продолжает заметно уступать объёму производства алюминия и стали.

Определённую ориентировку в потребностях промышленности в магнии даёт рассмотрение его производства и потребления в развитых капиталистических и развивающихся странах. После второй мировой войны и вплоть до начала 70-х годов XX столетия в них наблюдался непрерывный рост производства и потребления магния, затем произошла его стабилизация. Крупнейшим производителем магния в капиталистических странах являются США, доля которых в общем производстве несколько больше 50%.

Конструкционные магниевые сплавы – это лишь одна, причём не самая большая по объёму область применения магния. Магний широко используется как химический реагент во многих металлургических процессах. В частности, он применяется в чёрной металлургии для обработки чугуна с целью десульфурации. В общем в последние годы имеется тенденция к расширению применения магния в качестве химического реагента. Значительное количество магния используется для получения титана, и надо искать пути повышения эффективности применения его в этих целях. Проявляется также значительный интерес к магнию и сплавам на его основе как аккумуляторам водорода.

Имеется определённая предубеждённость против магниевых сплавов со стороны потребителей в отношении их пожароопасности, низкой коррозионной стойкости, повышенной чувствительности к концентраторам напряжений. Эту предубеждённость следует преодолевать. В то же время следует продолжить работы, направленные на улучшение служебных характеристик магниевых сплавов, в частности на повышение их коррозийной стойкости.

Основные тенденции в развитии потребления магния в мире.

В последние годы за рубежом положение магния как одного из масштабных промышленных металлов упрочнилось: в 1980 году впервые в мирное время был превзойдён максимальный уровень производства магния военного 1943 года. Несмотря на отдельные спады, обусловленные общей неблагоприятной коньюктурой, потребление магния оставалось стабильным, хотя цены на него и выросли в 1,9 раза.

Самым крупным производителем и потребителем первичного магния за рубежом остаются США, но их доля в мировом потреблении за 1975-85гг сократилось с 51,7% до 41,5%. Норвегия и США – крупнейшие экспортёры магния: по 36-45 тыс. тонн в год. США являются также крупнейшим производителем магния из вторичного сырья.

Второе место по объёма потребления магния занимает Западная Европа (30%). Потребление магния в Японии оценивается на уровне 20-25 тыс. тонн в год, из которых 69% расходуется в производстве алюминиевых сплавов и высокопрочного чугуна, на отливки из магниевых сплавов – 4,9%.

Магний за рубежом используется во многих отраслях промышленности. Всё разнообразие направлений использования можно условно разделить на 3 группы:

1. Применение магния в производстве алюминиевых сплавов, в которых добавляют от 0,5% до 10% магния. Алюминиевые сплавы, содержащие магний, отличаются высокой удельной прочностью, коррозийной стойкостью и хорошо обрабатываются резанием.

2. Приготовление сплавов конструкционного назначения на основе магния. Содержание магния в таких сплавах 90-98%. Деформируемые магниевые сплавы и литые заготовки из них находят применение в ряде отраслей промышленности, прежде всего в аэрокосмической промышленности, далее идут военная и автомобильная.

3. Использование магния в качестве химического реагента в чёрной и цветной металлургии для восстановления Be, Ti, U, Zr, Hf и др.металлов, в химии (в основном в реакции Гриньяра), также в качестве расходуемых анодов для катодной защиты от коррозии стальных конструкций, подземных трубопроводов и резервуаров. Магний в этих процессах полностью расходуется. Лом и отходы не образуются, в отличии от первых двух групп, где он может повторно использоваться в виде вторичных сплавов.

В условиях дефицита магния также актуальной является задача более рационального использования имеющихся ресурсов металла, сокращение потерь его на всех этапах переработки и использования. Например, более эффективно может быть использован вторичный магниевый сплав типа МА9С6 для легирования алюминиевых сплавов взамен первичного металла. Предпочтительнее выглядит и прямое использование отходов из магниевых сплавов в виде брикетов стружки взамен чушкового металла, например, для десульфурации или модифицирования чугуна, производстве модификаторов типа железо-кремний-магний.

Использование магния в аппаратах космической и авиационной техники, автомобилестроении, различных агрегатах и ответственных приборах предъявляя особые требования к технологии производства литья из магниевых сплавов. Потребность народного хозяйства в магнии и магниевых сплавах значительно превышает возможность их производства. Это ставит перед металлургами, технологами и разработчиками новые проблемы повышения качества литья, использования лома и стружки,  создание безотходных и малоотходных технологий производства. Обостряются вопросы экологии.

9. ЖЕСТКОСТЬ ВОДЫ

Природная вода, проходя через известковые горные породы и почвы, обогащается солями кальция и магния и становится жёсткой. В жёсткой воде при стирке белья увеличивается расход мыла, а ткань, впитывая соли, становится жёлтой и быстро ветшает. Нерастворимые соли кальция и магния осаждаются на внутренних стенках паровых котлов и трубопроводов. В жёсткой воде хуже и дольше варятся овощи.

Различают временную и постоянную жёсткость воды. При наличии временной жёсткости воды нагрев её приводит к выпадению осадков карбонатов CaCO3 и MgCO3. Временная жёсткость вызвана присутствием в воде гидрокарбонатов Mg(HCO3)2. Такая жёсткость устраняется кипячением воды :

Mg(HCO3)2 = MgCO3 + h3O + CO2

Постоянная жёсткость обусловлена другими солями кальция и магния, она не устраняется кипячением воды. Осадки малорастворимых и практически нерастворимых солей (CaSo4, CaSiO3, MgSiO3)могут выпадать вследствие следующих причин:

1. Повышение концентрации солей при выпаривании воды;

2. Понижение растворимости солей при нагревании (если соль обладает отрицательным температурным коэффициентом).

Для умягчения воды из неё необходимо удалить все соли кальция и магния, как Mg(HCO3)2, так и MgSO4, MgCl2 и др. Это достигается обработкой природной воды различными осадителями:

1. Действие известковой воды

Mg(HCO3)2 + Ca(OH)2   CaMg(CO3)2    + 2h3O,

                                                                                                        Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2     2CaCO3  + 2h3O ;

2. Действие соды

MgSO4 + Na2CO3    MgCO3  + Na2SO4 ,

3CaCl2 + 2Na3PO4    Ca3(PO4)2  + 6NaCl.

Отметим, что один из указанных выше осадков, а именно карбонат магния – кальция CaMg(CO3)2, отвечает по составу природному веществу – минералу доломиту, также широко распространённому, как и кальцит. Он является важнейшим природным источником магния наравне с карналлитом KMgCl3*6h3O.

В химической лаборатории и в промышленности используется полностью обессоленная вода (для питья непригодна). Для этого природную воду подвергают перегонке (дистилляции). Такая дистиллированная вода является мягкой, подобно дождевой воде.

С практической точки зрения (например при эксплуатации паросиловых установок) существенна именно форма образующихся осадков. Накипи отлагаются на поверхностях нагрева, снижая экономичность установки и могут привести к перегреву стенки (поверхности нагрева). Шламы – рыхлые осадки – выпадают в объёме воды и не опасны, поскольку могут быть удалены. Поэтому все методы борьбы с жёсткостью воды направлены либо на очистку воды от ионов солей жёсткости, либо на искусственное осаждение солей жёсткости в форме шламов.

10. Практическая работа «Определение жёсткости воды»

10.1. Методы отбора проб.

1. Объём пробы воды для определения общей жёсткости должен быть не менее 250 мл.

2. Если определение жёсткости не может быть проведено в день отбора пробы, то отмеренный объём воды, разбавленной дистиллированной водой 1:1, допускается оставлять для определения до следующего дня. Пробы воды, предназначенные для определения жёсткости не консервируют.

Аппаратура, материалы и реактивы.

Посуда мерная лабораторная стеклянная по ГОСТ 20292-74 вместимостью: пипетки – 10,25,50,100 мл без делений

Бюретка 25 мл.

Колбы конические по ГОСТ 25336-82 вместимостью 250 мл.

Капельницы по ГОСТ 25336-82.

Трилон Б

Аммоний хлористый

Аммиак водный 20% раствор

Гидроксиламин солянокислый

Кислота соляная

Натрий сернистый

Натрий хлористый

Спирт этиловый ректификованный

Цинк металлический гранулированный

Магний сернокислый – фиксанал

Хромогенчёрный специальный ЕТ-100 (индикатор)

Хромтёмно-синий кислотный (индикатор)

Все реактивы, используемые для анализа должны быть квалификации «Чистый для анализов»

10.2. Подготовка к анализу.

Дистиллированная вода, перегнанная дважды в стеклянном приборе, используется для разбавления проб воды.

9,31 г трилона Б растворяют в дистиллированной воде и доводят до 1 литра. Если раствор мутный, то его фильтруют. Раствор устойчив в течение нескольких месяцев.

Приготовление буферного раствора.

10 г хлористого аммония (Nh5Cl) растворяют в дистиллированной воде, добавляют 50 мл 25% раствора аммиака и доводят до 500 мл дистиллированной водой. Во избежание потери аммиака раствор следует хранить в плотно закрытой склянке.

Приготовление индикаторов.

0,5 индикатора растворяют в 20 мл буферного раствора и доводят до 100 мл этиловым спиртом. Раствор индикатора хромтёмно-синего может сохраняться длительное время без изменения. Раствор индикатора хромогенчёрного устойчив в течение 10 суток. Допускается пользоваться сухим индикатором. Для этого 0,25 г индикатора смешивают с 50 г сухого хлористого натрия, предварительно тщательно растёртого в ступке.

Приготовление раствора сернистого натрия.

5г сернистого натрия Na2S*9h3O или 3,7г Na2S*5h3O растворяют в 100 мл дистиллированной воды. Раствор хранят в склянке с резиновой пробкой.

Приготовление раствора солянокислого гидроксиламина.

1г солянокислого гидроксиламина Nh3OH*HCl растворяют в дистиллированной воде и доводят объём до 100 мл.

Приготовление 0,1H раствора хлористого цинка.

Точную навеску гранулированного цинка 3,269г растворяют в 30 мл соляной кислоты, разбавляют 1:1. Затем доводят объём в мерной колбе дистиллированной водой 1л. Получают точный 0,1Н раствор. Разведением этого раствора вдвое получают 0,05Н раствор. Если навеска неточная (больше или меньше, чем 3,269г), то рассчитывают количество миллилитров исходного раствора цинка для приготовления точного 0,05Н раствора, который должен содержать 1,6345 г цинка в 1 л.

Приготовление 0,05Н раствора сернокислого магния.

Раствор готовят из фиксанола, прилагаемого к набору реактивов для определения жёсткости воды и рассчитанного на приготовление 1 л 0,01Н раствора. Для получения 0,05Н раствора содержимое ампулы растворяют в дистиллированной воде и доводят объём раствора в мерной колбе до 200 мл.

Установка поправочного коэффициента к раствору трилона Б.

В коническую колбу вносят 10 мл 0,05Н раствора хлористого цинка или 10 мл 0,05Н раствора сернокислого магния и разбавляют дистиллированной водой до 100 мл. Прибавляют 5 мл буферного раствора, 5-7 капель индикатора и титруют при сильном взбалтывании раствором трилона Б до изменения окраски в эквивалентной точке. Окраска должна быть синей с фиолетовым оттенком при прибавлении индикатора хромтёмно-синего и синего с зеленоватым оттенком при прибавлении индикатора хромогенчёрный.

Титрование следует проводить на фоне контрольной пробы, которой может быть слегка перетитрованная проба.

Поправочный коэффициент к нормальности раствора трилона Б вычисляют по формуле

    10

K=

     V

где V – количество раствора трилона Б, израсходованное на титрование, мл.

10.3. Проведение анализа.

Определению общей жёсткости воды мешают: медь, цинк, марганец и высокое содержание углекислых и двууглекислых солей. Влияние мешающих веществ устраняется в ходе анализа.

Точность определения при титровании 100 мл пробы составляет 0,05 мг*экв/л.

В коническую колбу вносят 100 мл отфильтрованной испытуемой воды или меньший объём, разбавленный до 100 мл дистиллированной водой. При этом суммарное содержание ионов кальция и магния во взятом объёме воды не должно превышать 0,5 мг/экв. Затем прибавляют 5 мл буферного раствора, 5-7 капель индикатора или приблизительно 0,1 г сухой смеси индикатора хромочёрного с сухим хлористым натрием и сразу же титруют при сильном взбалтывании 0,05Н раствором трилона Б до изменения окраски в эквивалентной точке. Окраска должна быть синей с зеленоватым оттенком.

Если на титрование было израсходовано больше 10 мл 0,05Н раствора трилона Б, то это указывает, что в отмеренном объёме воды суммарное содержание ионов кальция и магния больше 0,5 мг*экв. В таких случаях следует определение повторить, взяв меньший объём воды и разбавив его до 100 мл дистиллированной водой.

Нечёткое изменение окраски в эквивалентной точке указывает на присутствие меди и цинка. Для устранения влияния мешающих веществ к отмеренной для титрования пробе воды прибавляют 1-2 мл раствора сульфида натрия, после чего проводят испытание.

Если после прибавления к отмеренному объёму воды буферного раствора и индикатора титруемый раствор постепенно обесцвечивается, приобретая серый цвет, что указывает на присутствие марганца, то в этом случае к пробе воды, отобранной для титрования, до внесения реактивов следует прибавить 5 капель 1% раствора солянокислого гидроксиламина и далее определять жёсткость.

Если титрование приобретает крайне затяжной характер с неустойчивой и нечёткой окраской в эквивалентной точке, что наблюдается при высокой щёлочности воды, её влияние устраняется к пробе воды, отобранной для титрования, до внесения реактивов 0,1Н раствора соляной кислоты в количестве, необходимом для нейтрализации щёлочности воды, с последующим кипячением или продуванием раствора воздухом в течение пяти минут. После этого прибавляют буферный раствор, индикатор и далее определяют жёсткость.

10.4. Обработка результатов.

                        V*0,05*K*1000

X=-----------------

                                                                                                      V

где V – количество раствора трилона Б, израсходованное на титрование, мл

K – поправочный коэффициент к нормальности раствора трилона Б

V – объём воды, взятый для определения, мл.

Расхождение между повторными определениями не должно превышать 2 отн.%

Берем испытуемую воду в количестве 100 мл, в 2 колбы делаем параллельный анализ буферного раствора. Добавляем 5 мл буферного раствора в обе колбы, затем 5-7 капель индикатора хромтемно-синий, и начинаем титровать  трилоном Б (0,1 норм. раств.)

В первую пробу ушло 5,8 мл трилона Б, во вторую пробу ушло 5,8 мл.

Обработка результатов:

                   5,8 мл х 0,05 х 0,9930 х 1000

            Х= -------------------------------------- = 2,8797 мл экв/л

                                     100

где,      V – 5,8 мл

            К – 0,9930

            V– 100 мл

ВЫВОД:

Содержание жесткости в воде находится в пределах нормы, так как пределом нормы является  1-10 мл  х экв/л

www.neuch.ru

Смотрите также

• 
  Опасность наркомании реферат
• 
  Количество теплоты реферат
• 
  Дети индиго реферат
• 
  Внешнеэкономическая политика реферат
• 
  Алыкул осмонов реферат
• 
  Имплантация дентальная реферат
• 
  Этика сократа реферат
• 
  Шведская интервенция реферат
• 
  Философия индуизма реферат
• 
  Физиологические роды реферат
• 
  Страбон реферат қазақша