Химический элемент Магний

Астраханский Государственный Политехнический Колледж

Реферат

на тему:

«Химический элемент Магний»

Выполнил: Ерзутов Р.А.

Студент I курса

Группы № 155

Лиман

2007 г.

План

Характеристика элемента

Получение магния

Физические свойства магния

Химические свойства магния

Соединения магния

Неорганические соединения

Магнийорганические соединения

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 магнийтермическом 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, многие 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, составляет 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*6H2O, бруцит Mg(OH)2, кизерит MgSO4, эпсомит MgSO4*7H2O, каинит MgSO4*KCl*3H2O, оливин (Mg,Fe)2 [SiO4], серпентин H4Mg3Si2O9. 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.

Получение магния.

Преобладающий промышленный способ получения магния - электролиз расплава смеси MgCl2 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) образующаяся смесь CO и паров магния быстро охлаждают при выходе из печи инертным газом для предотвращения обратной реакции с магнием.

Физические свойства Магния.

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 температуре 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.

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)+H2+O(газ) Mg+2O(тв)+H20 (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 2Mg0 + Si+4O2=2Mg+2O+Si0

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+2NH3+H2

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 + H20 Mg+2H2-.

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

MeCln+0,5nMg=Me+0,5nMgCl2

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 металлическоготитана-

4eTi+4Cl4+2Mg0Ti0+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.

Соединение 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, фотометрическим и другими методами.

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.

MgO образуется при прокаливании гидроокиси и многих других соединений магния. Окись магния плавится при 2800^оС, растворимость ее в воде составляет 0,00062 г/100 г при 20^оС. 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 1000^оС и выше образуется кристаллическая окись магния (кубическая сингония), которая теряет способность поглощать влагу и растворяться в кислотах. По литературным данным, прокаленная при 1000^оС 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 18^оС. 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*3H2O - 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+H2O 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 магния выделяют водород: Mg+H2SO4= SO4+H2

MgSO4, в отличии от труднорастворимых сульфатов щелочноземельных металлов легко растворим в воде; растворимость 36,6 г MgSO4/100 г при 18^оС. 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 * H2O обезвоживается при 320-300оС. Безводный MgSO4

при температуре 1100-1200^оС 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*7H2O 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 25^оС показывает степень гидролиза 0,0047%. Перхлорат магния

Mg(ClO4)2 - "ангидрон", дает гидраты с 2,4,6 молекулами воды. Растворимость в воде 99,6 г/100г при 25^оС. Безводный перхлорат магния очень сильно поглощает влагу; выше 250^оС он разлагается. Используется как осушитель органических веществ и газов. Гидроокись магния 2MgO+2H2O=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*10-4моль/л. Хлоридмагния-2е Mg0 + Cl20 Mg+2Cl2- образует гидраты с 1,2,4,6 молекулами воды. Растворимость его в воде 54,5 г/100г при 20^оС (в расчете на безводную соль). Хлорид магния с хлоридами щелочных металлов образует двойные соли, важнейшие из них - карналлит

MgCl2*KCl2*6H2O.

Для нитрата магния Mg(NO3)2 известны гидраты с 2,6 и 9 молекулами воды. Растворимость Mg (NO3)2*6H2O в воде при 25^оС составляет 75г/100г, для Mg(NO3)2*9H2O) при 25оС-50,6г/100г. Получение: Mg + 2HNO3 Mg(NO3)2 + H2 Фторид магния MgF2 - труднорастворимое в воде соединение. Плавится при 1265^оС, с фторидами щелочных металлов образует двойные соли типа M1F*MgF2и2M1F*MgF2.

Магнийорганические соединения.

Соединения магния с органическими кислотами. Ацетат магния Mg(CH3COO)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. Савин 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 моно азосоединениями 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.