Где взять магний: советы химику-любителю. Свойства и область применения чистого магния

Свойства магния

Применение чистого магния

Большое значение в органической химии имеют магнийорганические соединения, содержащие связь Mg-C. Особенно важную роль среди них играет так называемый реактив Гриньяра - соединения магния общей формулы RMgHal, где R - органический радикал, а Hal = Cl, Br или I. Эти соединения образуются в эфирных растворах при взаимодействии магния и соответствующего органического галоида RHal и используются для самых разнообразных синтезов.

Применение магния в авиации

Магний чрезвычайно легок, и это свойство могло бы сделать его прекрасным конструкционным материалом, но, увы – чистый магний мягок и непрочен. Поэтому конструкторы используют магний в виде сплавов его с другими металлами. Особенно широко применяются сплавы магния с алюминием, цинком и марганцем. Каждый из компонентов вносит свой «пай» в общие свойства: алюминий и цинк увеличивают прочность сплава, марганец повышает его антикоррозионную стойкость. Ну, а магний? Магний придает сплаву легкость – детали из магниевого сплава на 20...30% легче алюминиевых и на 50...75% – чугунных и стальных. Есть немало элементов, которые улучшают магниевые сплавы, повышают их жаростойкость и пластичность, делают устойчивее к окислению. Это литий, бериллий, кальций, церий, кадмий, титан и другие.

Но есть, к сожалению, и «враги» – железо, кремний, никель; они ухудшают механические свойства сплавов, уменьшают их сопротивляемость коррозии.

Магниевые сплавы находят широкое применение. Авиация и реактивная техника, ядерные реакторы, детали моторов, баки для бензина и масла, приборы, корпуса вагонов, автобусов, легковых автомобилей, колеса, масляные насосы, отбойные молотки, пневмобуры, фото и киноаппараты, бинокли – вот далеко не полный перечень областей применения магниевых сплавов.

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. К 2010 году цены на Мг-90 выросли до 4,6$ за кг.

Наиболее ранней областью применения металлического магния было, по видимому, использование его в качестве восстановителя. В 1965 г. Н.Н.Бекетов впервые применил магний для вытеснения с его помощью алюминия из расплавленного криолита. Этот процесс в 80-е годы прошлого века применялся промышленно на первом немецком алюминиевом заводе в Гмелингене. Несколько позже начали использовать способность порошка магния и тонкой магниевой ленты гореть ослепительно белым пламенем с выделением большого количества тепла. Это свойство магния получило применение в фотографии для моментальных съемок, а также в пиротехнике и для военных целей (для изготовления осветительных ракет). В обоих случаях магний обычно смешивается с веществами, легко отдающими кислород. Ракетный осветительный состав, например, может содержать 45% Mg, 48% NaNO3 и 7% связующего органического вещества. Наиболее важным практическим применением магния было использование его в качестве основы различных легких сплавов. Затем он стал использоваться и в других областях техники, благодаря своим специфическим физико-химическим и механическим свойствам. По мере развития металлургии магния его получали все в более чистом виде, что открывало для этого металла новые области применения.

Благодаря большому химическому сродству к кислороду магний способен отнимать его у многих оксидов, также как и хлор у хлоридов. На этом свойстве магния основана магниетермия, открытая Бекетовым как способ получения других металлов вытеснением их магнием из соединений. Она приобрела большое значение для современной металлургии. В качестве примера можно указать, что магниетермия стала основным способом в производстве таких металлов, как бериллий и титан. С помощью магниетермии были получены такие трудновосстанавливаемые металлы, как ванадий, хром, цирконий и другие. Магний используется для рафинирования вторичного алюминия от примеси магния путем переплавки металла с жидкими хлоридными флюсами, содержащими криолит. В этом случае магний из металлической фазы переходит в солевую в форме фтористого магния. Большая химическая активность магния по отношению к кислороду позволяет применять его в качестве раскислителя в производстве стали и цветного литья, а также (в порошкообразном виде) для обезвоживания органических веществ (спирта, анилина и др.). Важное значение в современной химической технологии получил синтез сложных веществ с помощью магнийорганических соединений. Таким путем был синтезирован, в частности, витамин А. Высокий электроотрицательный электродный потенциал дал возможность с большим эффектом применять магний в качестве материала для анодов при катодной защите от коррозии стальных и железных сооружений, находящихся во влажном грунте. Легкая воспламеняемость дисперсного магния и способность его гореть ослепительным белым пламенем долгое время использовалась в фотографии. Магниевый порошок стали применять также в качестве высококалорийного горючего в современной ракетной технике. Введение небольшого количества металлического магния в чугун позволило значительно улучшить его механические (в частности, пластические) свойства. Глубокая очистка магния от примесей, достигнутая в последнее время, позволила использовать его в качестве одного из компонентов при синтезе полупроводниковых соединений.

Магналий тверже и прочнее чистого алюминия, легче последнего обрабатывается и полируется. Как “магналий”, так и “электрон” на воздухе покрываются защитной окисной пленкой, предохраняющей их от дальнейшего окисления. Введение 0,05% Mg в чугун резко повышает его ковкость и сопротивление разрыву. Многие магниевые детали применяются в настоящее время в самых разных областях электротехники. Небольшой вес изделий, выполненных из магниевых сплавов, явился также важной причиной применения их для изготовления различных бытовых предметов и аппаратуры. Магниевые детали очень хорошо поглощают вибрацию. Их удельная вибрационная прочность почти в 100 раз больше, чем у лучших алюминиевых сплавов, и в 20 раз больше, чем у легированной стали. Это очень важное свойство при создании разнообразных транспортных средств. Магниевые сплавы превосходят сталь и алюминий по удельной жесткости и поэтому применяются для изготовления деталей, подвергающихся изгибающим нагрузкам (продольным и поперечным). Магниевые сплавы немагнитны, совершенно не дают искры при ударах и трении, легко обрабатываются резанием (в 6-7 раз легче, чем сталь, в 2-2,5 раза – чем алюминий). Магний и его сплавы обладают очень высокой хладостойкостью. Долгое время считалось, что область возможного применения магния ограничивается его легкой воспламеняемостью. Действительно, небольшие кусочки магния воспламеняются на воздухе при температуре 550оС. Однако изделия из магния и магний в слитках неогнеопасны, так как магний имеет очень высокую теплопроводность и нагреваемый участок детали быстро распространяет тепло по всей детали. Были даже попытки применения магния для изготовления двигателей внутреннего сгорания; в испытаниях он хорошо выдерживал тепло, но оказался недостаточно стоек к агрессивному воздействию продуктов сгорания. Поэтому магниевые поршни используются редко, в основном в гоночных машинах и в технике специального назначения. Основной недостаток магния – пониженная стойкость против коррозии. Магний сравнительно устойчив в сухом атмосферном воздухе в дистиллированной воде, но быстро разрушается в воздухе, насыщенном водными парами и загрязненном примесями, в особенности сернистым газом. Магний нестоек в очень многих веществах, так как является самым активны из конструкционных металлов. Его поверхностная активная пленка имеет пористую структуру и поэтому слабо защищает от коррозии. Магний совершенно устойчив к плавиковой кислоте и другим соединениям фтора, так как при контакте с ним образуется слой MgF2 – прочная сплошная пленка. На этом основано применение магния для изготовления тары и насосов для перекачки плавиковой кислоты. Магний стоек и при контакте с другими галогенами, причем, в отличие от алюминия, он спокойно переносит сухой хлор и стремительно разрушается во влажном. На стойкости магния в броме и иоде основано применение его для изготовления резервуаров для их хранения. Кроме того, он устойчив в бензине, керосине, смазочных маслах, жирах и т.п. и из него делают емкости для хранения нефти и нефтепродуктов и бензобаки. Поверхность магниевых сплавов защищают от коррозии нанесением слоев лака, пленкой более стойкого металла, либо электрохимической и химической обработкой, а иногда – нанесением слоев эмали. Чем чище магний, тем он устойчивее к коррозии. Это связано с тем, что он вступает в электрохимическую реакцию с крупицами практически любых других элементов, которая разрушает из двух веществ более активное. Особенно вредоносными являются примеси железа, никеля, меди, хрома, свинца, кобальта – они способствуют коррозии магния даже в очень небольших количествах: например, предельно допустимая концентрация железа в промышленно выпускаемом магнии составляет 0,01%, никеля – 0,0005%. С другой стороны, такие элементы, как марганец, цирконий, цинк, титан улучшают коррозионную стойкость магния: при добавлении к магниевому сплаву нескольких девятых процентов титана коррозионная стойкость увеличивается в 3 раза.

Магний в виде чистого металла, а так же 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.

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

Перхлорат, Mg(ClO 4) 2 - (ангидрон) применяется для глубокой осушки газов в лабораториях, и в качестве электролита для химических источников тока с участием этого элемента.

Фторид MgF 2 - в виде синтетических монокристаллов применяется в оптике (линзы, призмы).

Бромид MgBr 2 - в качестве электролита для химических резервных источников тока.

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

Оксид и соли магния применяется в медицине (аспаркам, сульфат магния, цитрат магния, минерал бишофит). Бишофитотерапия использует биологические эффекты природного магния в лечении и реабилитации широкого круга заболеваний, в первую очередь - опорно-двигательного аппарата, нервной и сердечно-сосудистой систем.

Всем хорошо знакома «английская соль» MgSO 4 · 7H 2 O. При приеме внутрь она служит надежным и быстродействующим слабительным, а при внутримышечных или внутривенных вливаниях снимает судорожное состояние, уменьшает спазмы сосудов. Чистая окись магния (жженая магнезия) применяется при повышенной кислотности желудочного сока, изжоге, отравлении кислотами. Перекись магния служит дезинфицирующим средством при желудочных расстройствах.

Магний и другие микроэлементы являются структурными компонентами многих ферментов. Они влияют на кальций-зависимый синтез NO, косвенно регулируют пролиферацию нервных клеток и их пластичность. Доказано участие ионов магния в работе глутаматных и NMDA-рецепторов: при дефиците магниевого ионного окружения эти рецепторы возбуждаются.

В эксперименте на крысах доказана нейропротекторная роль сульфата магния, введённого за 30 минут до моделируемой гипоксии мозга. Многоцентровые эпидемиологические исследования выявили повышение частоты мозгового инсульта в биогеохимических провинциях со сниженным содержанием магния и кальция в мягкой воде.

Одним из важных эффектов магния является торможение процессов возбуждения в коре головного мозга и связанная с этим реализация наркотического, снотворного, седативного, аналитического и противосудорожного эффекта. Экспериментальными исследованиями доказана роль магния в качестве модулятора эффектов возбуждающих аминокислот в ЦНС. При дефиците магния снижается способность к концентрации внимания и функции памяти. Классикой нейрохимии стало воззрение на магний как на ион с чёткими седативными свойствами. Синтез ацетилхолина в головном мозге возможен только в присутствии ионов магния. Кора головного мозга обладает выраженной реактивностью, поэтому расстройства высшей нервной деятельности сопровождаются не только нарушениями энергетического обмена, но и изменениями трансмембранного транспорта ионов, в первую очередь магния. На большом экспериментальном и клиническом материале показана зависимость выраженности эпилептиформной готовности в коре головного мозга от уровня ионов магния.

Заслуживает внимания Магнерот, в состав которого входит оротовая кислота. Оротовая кислота необходима для фиксации магния на АТФ в клетке, что приводит к терапевтической активности магния. Помимо этого, оротовая кислота способствует росту клеток, участвуя в процессе обмена веществ. Магнерот успешно применяется в составе комплексной терапии в лечении и профилактике сердечно-сосудистых заболеваний: ишемической болезни сердца, магний-зависимых сердечных аритмий, различных спастических состояниях (в т. ч. ангиоспазмов), инфаркта миокарда, атеросклероза и гиперлипидемий.

Применение оротата магния началось в 60-х годах прошлого века. Преимущественно препарат использовался в терапии сердечной недостаточности, в т. ч. вызванной алкогольной кардиомиопатией. На модели алкогольного повреждения сердца у животных было показано, что одной из причин заболевания является нарушение синтеза РНК в кардиомиоцитах, а оротовая кислота необходима для нормального хода данного процесса. Оротовая кислота (которую называют так же витамином В13), помимо участия в обмене магния, обладает собственной метаболической активностью: соединение является одним из метаболических предшественников пиримидиновых нуклеотидов, т. е. в конечном счёте необходимо для нормального хода анаболических процессов. На уровне сердечной мышцы эффект выражается в повышении синтеза белка и АТФ. Анаболическая активность оротовой кислоты с успехом используется, например, у спортсменов с целью повышения работоспособности и конкурирует с таковой у стероидных препаратов. Установлено, что оротовая кислота поддерживает холестерин в коллоидном состоянии, что, возможно, препятствует его отложению в сосудистой стенке. Положительно и то, что магниевая соль оротовой кислоты слабо растворима в воде, поэтому практически не обладает послабляющим эффектом, хорошо всасывается.

Другие сферы применения магния

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).

Окись магния используют в производстве цементов, огнеупорного кирпича, в резиновой промышленности. Перекись магния («новозон») применяют для отбелки тканей. Сернокислый магний используют в текстильной и бумажной промышленности как протраву при крашении, водный раствор хлорида магния – для приготовления магнезиального цемента, ксилолита и других синтетических материалов. Карбонат магния MgCO 3 находит применение в производстве теплоизоляционных материалов.

В среднем человеческий организм содержит около 25 г магния главным образом в костях и скелетной мускулатуре. Выведение магния из организма усиливается при стрессе, некоторых расстройствах здоровья и типах медикаментозного лечения, а также при высоких физических нагрузках. Меню, богатое рафинированными продуктами, не всегда дает человеку нужного количества магния. Дефицит нетрудно компенсировать биодобавками. Магний выпускается в виде соединений - оксида, сульфата, аспартата, карбоната, цитрата, глюконата.

Полезные свойства магния для организма

Необходим для сжигания в клетках органических веществ с выделением энергии, для нервного проведения, расслабления мышц, формирования костей и зубов. В сочетании с кальцием и калием он управляет сердечным ритмом и участвует в образовании инсулина.

Профилактика

Недавние исследования наводят на мысль о гипотензивном (снижающем артериальное давление) и антикоагулянтном (от тромбоза) действии магния, которое в сочетании со способностью этого элемента предупреждать спазмы артерий и опасные сердечные аритмии особенно полезно выздоравливающим после инфаркта миокарда.

Его адекватное поступление в организм важно для профилактики инсулинонезависимого диабета. Американские исследователи в течение 6 лет следили за уровнем магния более чем у 12 тыс. предрасположенных к диабету людей. Как выяснилось, когда этого элемента у них недостаточно, собственно болезнь развивается на 94% чаще, чем когда его много.

Основная польза магния

Магний не зря называют природным успокоительным: он расслабляет мышцы, способствует снижению давления и оказывает небольшое седативное воздействие на нервную систему . Он является незаменимым участником многих биологических процессов и «работает» вместе с другими важными макро- и микроэлементами.

Содержание магния в продуктах (на 100г):

Орехи кешью 270 мг
Гречка 260 мг
Морская капуста 170 мг
Овсянка 130 мг
Горошек 100 мг
Фасоль 100 мг

Что собой представляет магний?

Магний входит в состав минералов и живых организмов - растений и животных. Организм человека накапливает порядка 25 г этого металла, который содержится в органах и тканях в виде различных химических соединений.

Большая часть магния сосредоточена в костях, но элемент встречается и в большинстве других тканей.

Продукты питания, богатые магнием

Наиболее богатыми и полноценными источниками магния служат зеленые овощи.

Достаточно много магния содержится в водопроводной воде.

В плодах максимальным содержанием этого минерала отличается кожура.

Суточная потребность в магнии

В сутки человеку требуется дозировка магния до 0,5 грамма.

Увеличение потребности в магнии

Дополнительное применение магния требуется при высоких нервных нагрузках, при повышенном артериальном давлении , а также при интенсивных процессах роста и развития у детей и подростков.

Потребность в минерале также возрастает у спортсменов, людей, которые переносят тяжелые физические нагрузки, у беременных и кормящих женщин.

Усвоение магния из пищи

Магний хорошо усваивается из растительной и животной пищи. При повышенном поступлении кальция , натрия и фосфора усвояемость магния падает.

Чрезмерное увлечение продуктами и напитками, содержащими кофеин (кофе , крепкий чай, шоколад , энергетики) также снижает всасывание магния. Наконец, на этот процесс негативно влияет прием спиртных напитков.

Небольшие количества магния всегда выводятся из организма, не всасываясь, так как связываются пищевыми волокнами растительных продуктов. В целом волокна очень полезны, так что искусственно сокращать их содержание в рационе не стоит, однако постоянно потреблять отруби и клетчатку в больших дозах нежелательно.

Из некоторых продуктов, таких как орехи и отруби, магний усваивается плохо, несмотря на то, что в них присутствует много этого минерала. Они содержат так называемый фитин - вещество, препятствующее всасыванию микроэлементов.

Употребление фруктов и овощей со шкуркой - хороший способ повысить поступление магния в организм.

Биологическая роль магния

Функции магния:

Нужен для здоровья костей, способствует укреплению скелета наряду с фосфором и кальцием
. Принимает участие в обмене глюкозы, выделении и запасании энергии
. Магний в составе ферментов (а он необходим для образования порядка 300 разных ферментов) участвует во многих видах обмена веществ.
. Влияет на метаболизм жиров, при нормальном содержании магния в организме легче поддерживать оптимальную массу тела
. Повышает моторную активность кишечника, препятствует развитию запоров
. Улучшает образование и выделение желчи, что положительно сказывается на качестве пищеварения
. Способствует уменьшению жиров в питании, так как улучшает связывание и выведение холестерина
. Благотворно воздействует на передачу нервных импульсов
. Является частью процесса обмена аминокислот, образования белков
. Позитивно влияет на здоровье сердечно-сосудистой системы, поддерживает нормальный уровень артериального давления, улучшает метаболизм в сердечной мышце
. Отвечает за работу мышц, участвует в их расслаблении
. Оказывает спазмолитическое действие
. Регулирует работу почек, препятствует мочекаменной болезни
. Проявляет успокаивающее действие, способствует улучшению сна
. Улучшает устойчивость к стрессам , перегрузкам, снижает утомляемость
. Повышает позитивные эффекты, оказываемые на организм натрием, калием , витаминами D , В6 , .

Признаки нехватки магния

При недостаточных дозировках магния в составе пищи могут возникать симптомы его дефицита: усталость, ухудшение сна, нервозность, снижение стрессоустойчивости, повышение артериального давления, судороги, спазмы, выпадение волос, боли в мышцах, запоры, нарушения сердечного ритма.

Признаки избытка магния

Избыток минерала встречается редко, главным образом наблюдается при чрезмерно интенсивном применении магния в составе БАДов . Симптомы избытка магния: снижение выделения слюны, тошнота, диарея, сонливость, расстройства равновесия.

Если у Вас есть необходимость по медицинским показаниям в высоких дозах принимать магний, стоит параллельно вести прием препаратов кальция. Это «уравновесит» содержание элементов в организме и позволит избежать передозировки магния.

Факторы, влияющие на содержание в продуктах магния

Кулинарная обработка приводит к уменьшению содержания магния в пище. За рубежом магнием дополнительно обогащают питьевую воду.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Магний - двенадцатый элемент Периодической таблицы. Обозначение - Mg от латинского «magnesium». Расположен втретьем периоде, IIА группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 12.

Магний весьма распространен в природе. В больших количествах он встречается в виде карбоната магния, образуя минералы магнезит MgCO 3 и доломит MgCO 3 ×CaCO 3 . Сульфат и хлорид магния входят в состав минералов каинита KCl×MgSO 4 ×3H 2 O и карналлита KCl×MgCl 2 ×6H 2 O. Ион Mg 2+ содержится в морской воде, сообщая ей горький вкус. Общее количество магния в земной коре составляет около 2% (масс.).

В виде простого вещества магний представляет собой серебристо-белый (рис. 1), очень легкий металл. На воздухе он мало изменяется, так как быстро покрывается тонким слоем оксида, защищающего его от дальнейшего окисления.

Рис. 1. Магний. Внешний вид.

Атомная и молекулярная масса магния

Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Поскольку в свободном состоянии магний существует в виде одноатомных молекул Mg, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 24,304.

Изотопы магния

Известно, что в природе магний может находиться в виде трех стабильных изотопов 24 Mg (23,99%), 25 Mg (24,99%) и 26 Mg (25,98%). Их массовые числа равны 24, 25 и 26 соответственно. Ядро атома изотопа магния 24 Mg содержит двенадцать протонов и двенадцать нейтронов, а изотопов 25 Mg и 26 Mg- такое же количество протонов, тринадцать и четырнадцать нейтронов соответственно.

Существуют искусственные изотопы магния с массовыми числами от 5-ти до 23-х и от 27-ми до 40-ка.

Ионы магния

На внешнем энергетическом уровне атома магния имеется два электрона, которые являются валентными:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 .

В результате химического взаимодействия маний отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:

Mg 0 -2e → Mg 2+ .

Молекула и атом магния

В свободном состоянии магний существует в виде одноатомных молекул Mg. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу магния:

Сплавы магния

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-Mn и Mg-Zn-Zr. Наиболее широкое применение имеют сплавы системы Mg-Al-Zn, содержащие от 3 до 10% алюминия и от 0,2 до 3% цинка. Достоинством магниевых сплавов является их малая плотность (около 1,8 г/см 3).

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1