Магний

Соединения магния были известны человеку с давних пор. Латинское название элемента происходит от названия древнего города Магнезия в Малой Азии, в окрестностях которого имеются залежи минерала магнезита. Металлический магний впервые получил в 1808 английский химик Г. Дэви. Как и в случае других активных металлов — натрия, калия, кальция, для получения металлического магния Дэви использовал электролиз. Электролизу он подвергал увлажненную смесь белой магнезии (в ее состав, судя по всему, входили оксид магния MgO и гидроксид магния Mg(OH)₂) и оксида ртути HgO. В результате Дэви получил амальгаму — сплав нового металла со ртутью. После отгонки ртути остался порошок нового металла, который Дэви назвал магнием.

Магний, полученный Дэви, был довольно грязным, чистый металлический магний получен впервые в 1828 французским химиком А. Бюсси.

Магний — один из десяти наиболее распространенных элементов земной коры. В ней содержится 2, 35% магния по массе. Из-за высокой химической активности в свободном виде магний не встречается, а входит в состав множества минералов — силикатов, алюмосиликатов, карбонатов, хлоридов, сульфатов и др. Так, магний содержат широко распространенные силикаты оливин (Mg, Fe)₂[SiO₄] и серпентин Mg₆(OH)₈[Si₄O₁₀]. Важное практическое значение имеют такие магнийсодержащие минералы, как асбест, магнезит, доломит MgCO₃·CaCO₃, бишофит MgCl₂·6H₂O, карналлит KCl·MgCl₂·6H₂O, эпсомит MgSO₄·7H₂O, каинит KCl·MgSO₄·3H₂O, астраханит Na₂SO₄·MgSO₄·4H₂O и др. Магний содержится в морской воде (4% Mg в сухом остатке), в природных рассолах, во многих подземных водах.

Обычный промышленный метод получения металлического магния — это электролиз расплава смеси безводных хлоридов магния MgCl₂, натрия NaCl и калия KCl. В этом 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 кокс:

MgO + C = Mg + CO

или кремний. 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 + 2CaO + Si = Ca₂SiO₄ + 2Mg.

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

Металлический магний обладает гексагональной кристаллической решеткой. Температура плавления 650°C, температура кипения 1105°C, плотность 1, 74 г/см³ (магний — очень легкий металл, легче только кальций и щелочные металлы). Стандартный электродный потенциал магния Mg/Mg²⁺ –2, 37В. В ряду стандартных потенциалов он расположен за натрием перед алюминием.

Поверхность магния покрыта плотной пленкой оксида MgO, при обычных условиях надежно защищающей металл от дальнейшего разрушения. Только при нагревании металла до температуры выше примерно 600°C он загорается на воздухе. Горит магний с испусканием яркого света, по спектральному составу близкого к солнечному. Поэтому раньше фотографы при недостаточной освещенности проводили съемку в свете горящей ленты магния. При горении магния на воздухе образуется рыхлый белый порошок оксида магния MgO:

2Mg + O₂ = 2MgO.

Одновременно с оксидом образуется и нитрид магния Mg₃N₂:

3Mg + N₂ = Mg₃N₂.

C холодной водой магний не реагирует (или, точнее, реагирует, но крайне медленно), а с горячей водой он вступает во взаимодействие, причем образуется рыхлый белый осадок гидроксида магния Mg(OH)₂:

Mg + 2H₂O = Mg(OH)₂ + H₂.

Если ленту магния поджечь и опустить в стакан с водой, то горение металла продолжается. При этом выделяющийся при взаимодействии магния с водой водород немедленно загорается на воздухе. Горение магния продолжается и в атмосфере углекислого газа:

2Mg + CO₂ = 2MgO + C.

Способность магния гореть как в воде, так и в атмосфере углекислого газа существенно усложняет тушение пожаров, при которых горят конструкции из магния или его сплавов.

Оксид магния MgO представляет собой белый рыхлый порошок, не реагирующий с водой. Раньше его называли жженой магнезией или просто магнезией. Этот оксид обладает основными свойствами, он реагирует с различными кислотами, например:

MgO + 2HNO₃ = Mg(NO₃)₂ + H₂O.

Отвечающее этому оксиду основание Mg(OH)₂ — средней силы, но в воде практически нерастворимо. Его можно получить, например, добавляя щелочь к раствору какой-либо соли магния:

2NaOH + MgSO₄ = Mg(OH)₂ + Na₂SO₄.

Так как оксид магния MgO при взаимодействии с водой щелочей не образует, а основание магния Mg(OH)₂ щелочными свойствами не обладает, магний, в отличие от своих «согруппников» — кальция, стронция и бария, не относится к числу щелочноземельных металлов.

Металлический магний при комнатной температуре реагирует с галогенами, например, с бромом:

Mg + Br₂ = MgBr₂.

При нагревании магний вступает во взаимодействие с серой, давая сульфид магния:

Mg + S = MgS.

Если в инертной атмосфере прокаливать смесь магния и кокса, то образуется карбид магния состава Mg₂C₃ (следует отметить, что ближайший сосед магния по группе — кальций — в аналогичных условиях образует карбид состава СаС₂). При разложении карбида магния водой образуется гомолог ацетилена — пропин С₃Н₄:

Mg₂C₃ + 4Н₂О = 2Mg(OH)₂ + С₃Н₄.

Поэтому Mg₂C₃ можно назвать пропиленидом магния.

В поведении магния есть черты сходства с поведением щелочного металла лития (пример диагонального сходства элементов в таблице Менделеева). Так, магний, как и литий, реагирует с азотом (реакция магния с азотом протекает при нагревании), в результате образуется нитрид магния:

3Mg + N₂= Mg₃N₂.

Как и нитрид лития, нитрид магния легко разлагается водой:

Mg₃N₂ + 6Н₂О = 3Mg(ОН)₂ + 2NН₃.

Сходство с литием проявляется у магния и в том, что его карбонат MgCO₃ и фосфат Mg₃(PO₄)₂ в воде плохо растворимы, как и соответствующие соли лития.

С кальцием магний сближает то, что присутствие в воде растворимых гидрокарбонатов этих элементов обусловливает жесткость воды. Как и в случае гидрокарбоната кальция (см. ст. Кальций), жесткость, вызванная гидрокарбонатом магния Mg(HCO₃)₂, — временная. При кипячении гидрокарбонат магния Mg(HCO₃)₂ разлагается и в осадок выпадает его основной карбонат — гидроксокарбонат магния (MgOH)₂CO₃:

2Mg(HCO₃)₂ = (MgOH)₂CO₃ + 3CO₂ + Н₂О.

Практическое применение до сих пор имеет перхлорат магния Mg(ClO₄)₂, энергично взаимодействующий с парами воды, хорошо осушающий воздух или другой газ, проходящий через его слой. При этом образуется прочный кристаллогидрат Mg(ClO₄)₂·6Н₂О. Это вещество можно вновь обезводить, нагревая в вакууме при температуре около 300°C. За свойства осушителя перхлорат магния получил название «ангидрон».

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.

Основная часть добываемого магния используется для получения различных легких магниевых сплавов. В состав этих сплавов, кроме магния, входят, как правило, алюминий, цинк, цирконий. Такие сплавы достаточно прочны и находят применение в самолетостроении, приборостроении и для других целей.

Высокая химическая активность металлического магния позволяет использовать его при магниетермическом получении таких металлов, как титан, цирконий, ванадий, уран и др. При этом магний реагирует с оксидом или фторидом получаемого металла, например:

2Mg + TiO₂ = 2MgO + Ti.

2Mg + UF₄ = 2MgF₂ + U.

Широкое применение находят многие соединения магния, особенно его оксид, карбонат и сульфат.

Магний — биогенный элемент, постоянно присутствующий в тканях всех организмов. Он входит в состав молекулы зеленого пигмента растений — хлорофилла, участвует в минеральном обмене, активирует ферментные процессы в организме, повышает засухоустойчивость растений. С участием ионов Mg⁺осуществляется биолюминесценция и ряд других биологических процессов. Широкое практическое применение находят магниевые удобрения — доломитовая мука, жженая магнезия и др.

Магний является жизненно важным элементом, который необходим для нормального функционирования клеток, участвует в большинстве реакций обмена веществ. Магний уменьшает возбудимость нейронов, играет важную физиологическую роль в регуляции передачи нервных импульсов, в сокращении мышц и в поддержании ионного баланса в мышцах, участвует во многих ферментативных реакциях, обеспечивает поступление продуктов гликолиза в цикл Кребса, участвует в синтезе и распаде нуклеиновых кислот, синтезе белков, жирных кислот и липидов, в частности фосфолипидов, расслабляет сердечную мышцу, способствует снижению уровня холестерина в крови.

1/3 количества магния, содержащегося в организме, накапливается в костной ткани. Организм получает магний вместе с пищей. Суточная потребность человека в магнии — 0,3 - 0,5 г. В организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится около 19 г магния. Нарушения обмена магния приводят к различным заболеваниям. В медицине применяют препараты магния — его сульфат, карбонат, жженую магнезию. Недостаток магния в организме может наблюдаться при нарушении режима питания (диета) или при увеличении потребности в магнии (при повышенной физической и умственной нагрузке, стрессе, беременности, применении диуретиков).

Авторы: С.С. Бердоносов, П.С. Бердоносов