Магний

12 Натрий ← Магний → Алюминий Be ↑ Mg ↓ Ca 12Mg
Внешний вид простого вещества
Лёгкий, ковкий, серебристо-белый металл
Свойства атома
Название, символ, номер	Магний / Magnesium (Mg), 12
Атомная масса (молярная масса)	[24,304; 24,307] а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Ne] 3s2
Радиус атома	160 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	136 пм
Радиус иона	66 (+2e) пм
Электроотрицательность	1,31 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	−2,37 В
Степени окисления	2
Энергия ионизации (первый электрон)	737,3 (7,64) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	1,738 г/см³
Температура плавления	650 °C (923 K)
Температура кипения	1090 °C (1363 K)
Уд. теплота плавления	9,20 кДж/моль
Уд. теплота испарения	131,8 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	24,90 Дж/(K·моль)
Молярный объём	14,0 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	гексагональная
Параметры решётки	a=0,32029 нм, c=0,52000 нм
Отношение c/a	1,624
Температура Дебая	318 K
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) 156 Вт/(м·К)
Эмиссионный спектр

12	Магний
Mg 24,305
3s2

Металлический магний

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.

История открытия

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 · 7H₂O. Латинское название элемента происходит от названия древнего города Магнезия в Малой Азии, в окрестностях которого имеются залежи минерала магнезита.

В 1792 году Антон фон Рупрехт получил новый металл, названный им австрием, восстановлением углём из белой магнезии. Позже было установлено, что «австрий» представляет собой магний крайне низкой степени чистоты, поскольку исходное вещество было сильно загрязнено железом.

В 1808 г. английский химик Гемфри Дэви 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.

Нахождение в природе

Кларк магния — 1,95 % (19,5 кг/т). Это один из самых распространённых элементов 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 • 6H₂O (Mg 8,7 %),
• бишофит — MgCl₂ • 6H₂O (Mg 11,9 %),
• кизерит — MgSO₄ • H₂O (Mg 17,6 %),
• эпсомит — MgSO₄ • 7H₂O (Mg 9,9 %),
• каинит — KCl • MgSO₄ • 3H₂O (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.

Типы месторождений

Природные источники магния:

• ископаемые минеральные отложения (магнезиальные и калийно-магнезиальные карбонаты: доломит, магнезит),
• морская вода,
• рассолы (рапа соляных озёр).

Большая часть мировой добычи магния сосредоточена в США (43 %), странах СНГ (26 %) и Норвегии (17 %), возрастает доля Китая.

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:

$\mathsf{MgCl_2 \rightarrow Mg + Cl_2}$

Расплавленный металл периодически отбирают из электролизной ванны, а в неё 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:

$\mathsf{MgO + C \rightarrow Mg + CO}$

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

$\mathsf{CaCO_3\cdot MgCO_3 \rightarrow CaO + MgO + 2CO_2}$

Затем сильный нагрев с кремнием:

$\mathsf{2MgO + CaO + Si \rightarrow CaSiO_3 + 2Mg}$

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.

Физические свойства

Магний — металл серебристо-белого цвета с гексагональной решёткой, обладает металлическим блеском; 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 — 1,738 г/см³, температура плавления металла t_пл = 650 °C, температура кипения t_кип = 1090 °C, теплопроводность при 20 °C — 156 Вт/(м·К).

Магний высокой чистоты пластичен, хорошо прессуется, прокатывается и поддаётся обработке резанием.

Химические свойства

При нагревании на воздухе магний сгорает с образованием оксида и небольшого количества нитрида. При этом выделяется большое количество теплоты и световой энергии:

$\mathsf{2Mg + O_2 \rightarrow 2MgO}$

$\mathsf{3Mg + N_2 \rightarrow Mg_3N_2}$

Магний может гореть даже в углекислом газе:

$\mathsf{2Mg + CO_2 \rightarrow 2MgO + C}$

Раскаленный магний энергично реагирует с водой, вследствие чего горящий магний нельзя тушить водой:

$\mathsf{Mg + H_2O \rightarrow MgO + H_2 + 75 \ kcal}$

Возможна также реакция:

$\mathsf{Mg + 2H_2O \rightarrow Mg(OH)_2 + H_2\uparrow + 80,52 \ kcal}$

Щелочи на магний не действуют, в кислотах он растворяется с бурным выделением водорода:

$\mathsf{Mg + 2HCl \rightarrow MgCl_2 + H_2\uparrow}$

Магний со взрывом реагирует с сильными окислителями типа порошкового перманганата калия.

Применение

Применяется для восстановления металлического титана из тетрахлорида титана. Используется для получения лёгких и сверхлёгких сплавов (самолётостроение, производство автомобилей), а также для изготовления осветительных и зажигательных ракет.

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. В 2012 году цены на магний составляют порядка 2,8—2,9 долл./кг.

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.

Соединения

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

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.

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. В смеси с соответствующими окислителями он также является основным компонентом заряда светошумовых боеприпасов.

Медицина

Магний является жизненно-важным элементом, который находится во всех тканях организма и необходим для нормального функционирования клеток. Участвует в большинстве реакций обмена веществ, в регуляции передачи нервных импульсов и в сокращении мышц, оказывает спазмолитическое и антиагрегантное действие. Оксид и соли магния традиционно применяются в медицине в кардиологии, неврологии и гастроэнтерологии (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 кожу) 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.

Фотография

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

Аккумуляторы

Магниево-серные батареи являются одними из самых перспективных, превосходя в теории ёмкость ионно-литиевых, однако пока эта технология находится на стадии лабораторных исследований в силу непреодолённости некоторых технических препятствий.

Биологическая роль и токсикология

Магний — один из важных биогенных элементов, в значительных количествах содержится в тканях животных и растений (хлорофиллы). 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 отличие от нынешней — хлоридно-натриевой.

Магний является кофактором многих ферментативных реакций. Магний необходим для превращения креатинфосфата в АТФ — нуклеотид, являющийся универсальным поставщиком энергии в живых клетках организма. Магний необходим на всех этапах синтеза белка. Он участвует в поддержании нормальной функции нервной системы и мышцы сердца, оказывает сосудорасширяющее действие, стимулирует желчеотделение, повышает двигательную активность кишечника, что способствует выведению из организма холестерина.

Усвоению магния мешают наличие фитина и избыток жиров и кальция в пище. Дефицит магния 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. Однако обилие фитина в этих продуктах делает его малодоступным для усвоения, поэтому только зелёные овощи могут служить надёжным источником магния. Магния совсем мало в хлебе, молочных, мясных и других повседневных продуктах питания современного человека. Суточная норма магния — порядка 300 мг для женщин и 400 мг для мужчин (предполагается, что всасывается около 30 % магния).

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.

Таблица нормы потребления магния

Пол	Возраст	Суточная норма потребления магния[неавторитетный источник? 574 дня], мг/день	Верхний допустимый предел, мг/день
Младенцы	от 0 до 6 месяцев	30	Не определен
Младенцы	от 7 до 12 месяцев	75	Не определен
Дети	от 1 до 3 лет	80	145
Дети	от 4 до 8 лет	130	240
Дети	от 9 до 13 лет	240	590
Девушки	от 14 до 18 лет	360	710
Юноши	от 14 до 18 лет	410	760
Мужчины	от 19 до 30 лет	400	750
Мужчины	31 год и старше	420	770
Женщины	от 19 до 30 лет	310	660
Женщины	31 год и старше	320	670
Беременные женщины	от 14 до 18 лет	400	750
Беременные женщины	от 19 до 30 лет	350	700
Беременные женщины	31 год и старше	360	710
Кормящие грудью женщины	от 14 до 18 лет	360	710
Кормящие грудью женщины	от 19 до 30 лет	310	660
Кормящие грудью женщины	31 год и старше	320	670

Литература

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

Ссылки

• Latest Magnesium News (англ.). Magnesium .com. Проверено 30 октября 2013.
• Магний. Популярная библиотека химических элементов. Проверено 30 октября 2013.