Кіріспе

химиялық элемент

Магний – химиялық элемент, символы Mg және атомдық нөмірі 12. Ол – төмен тығыздығы, төмен балқу температурасы және жоғары химиялық реактивтілігі бар жылтыр сұр металл. Басқа сілтілік жер металдары сияқты (периодтық кестедегі 2-топ) ол табиғатта тек басқа элементтермен бірігіп кездеседі және көбінесе +2 тотығу күйіне ие. Ол ауамен жылдам реакцияға түсіп, металдың одан әрі коррозиялануын тежейтін магний оксидінің жұқа пассивациялық қабатын түзетін болады. Таза металл жарқыраған ақ жарықпен жанады. Металл негізінен тұзды судан алынған магний тұздарының электролизі арқылы өндіріледі. Ол алюминийден жеңіл және көбінесе алюминий қосылыстарындағы берік және жеңіл қорытпалардың құрамында қолданылады. Космоста магний үлкен, қартайған жұлдыздарда көміртек ядросына үш гелий ядросын тікелей қосу арқылы пайда болады. Мұндай жұлдыздар супернова ретінде жарылғанда, магнийдің көп бөлігі жұлдызаралық кеңістікке таралады, онда ол жаңа жұлдыз жүйелеріне қайта өңделуі мүмкін. Магний – Жер қыртысындағы ең көп таралған сегізінші элемент.

Бұл элемент адам денесінде масса бойынша ең көп таралған он бірінші элемент болып табылады және барлық жасушалар мен шамамен 300 фермент үшін қажет. Таза поликристаллдық магний нашар және қисайту жолақтары бойымен оңай сынықтайды. Ол басқа металдардың, мысалы, 1% алюминий сияқты шағын мөлшерде қосылғанда әлдеқайда иілгіш болады. Поликристаллдық магнийдің иілгіштігін оның түйіршік өлшемін шамамен 1 микронға немесе одан да азға дейін азайту арқылы айтарлықтай жақсартуға болады. Дәнді ұнтақталғанда магний сумен реакцияға түсіп, сутек газын бөліп шығарады:
Mg(қ) + 2H2O(г) → Mg(OH)2(ер) + H2(г) + 1203,6 кДж/моль
Дегенмен, бұл реакция сілтілік металдардың сумен реакцияларына қарағанда әлдеқайда аз қарқынды, себебі магний гидроксиді магний металлының бетінде жинақталады және одан әрі реакцияны тежейді.

Жалпы химия

Ол ауаға ұшырағанда сәл тотығады, бірақ ауыр сілтілі жер металдарынан айырмашылығы, сақтау үшін оттегісіз орта қажет емес, себебі магний тығыз және кетіруге қиын жаратын тотық қабатымен қорғалған. Магнийдің ауамен немесе оттегімен бөлме температурасындағы қысымда тікелей реакциясы тек "қалыпты" MgO оксидін ғана түзетіндігін ескеру керек. Дегенмен, бұл оксид сутек пероксидімен бірігіп, MgO2 магний пероксидін құрауы мүмкін, ал төмен температурада пероксид озонмен реакцияласып, Mg(O2)2 магний супероксидін түзетіндігін атап өту қажет. Магний бөлме температурасында сумен реакцияға түседі, бірақ ұқсас 2-топ металлы кальцийге қарағанда әлдеқайда баяу реакцияға түседі.

Жанып кету қабілеті

Магний, әсіресе ұнтақталған немесе жұқа жолақтарға кесілген кезде, өте тез тұтанады, бірақ оны ірі көлемде тұтандыру қиын. Тұтанған металлдан алаудың биіктігі көбінесе аз болса да, мұндай өрттерді сөндіру қиын, себебі олар өрт сөндіруге арналған көптеген заттарға қарсы тұрады; жану азот атмосферасында (магний нитридін түзетін), көмірқышқыл газында (магний оксиді мен көміртек түзетін) және суда (магний оксиді мен сутегін түзетін, ол қосымша оттегі болғанда, жылудан да тұтана береді). Осы қасиет Екінші дүниежүзілік соғыста қалаларды өртеу кезінде қолданылған жартылай жанғыш қаруларда пайдаланылды, онда азаматтық қорғаныстың жалғыз тиімді тәсілі – жану процесінен ауаны тоқтату үшін, тұтанған жалынды құрғақ құммен жабу болатын. Магний алюминий мен темір оксидінен тұратын, тек өте жоғары температурада ғана тұтанатын термит қоспасын тұтандыру үшін де қолданылуы мүмкін.

Органикалық химия

Органомагний қосылыстары органикалық химияда кеңінен таралған. Олар көбінесе магнийдің галоалкандармен реакциясынан түзілетін Григнард реагенттері түрінде кездеседі. Григнард реагенттерінің мысалдары – фенилмагний бромиді және этилмагний бромиді. Григнард реагенттері карбонил тобының полярлы байланысындағы көміртек атомы сияқты электрофильдік топтарға шабуыл жасайтын, кең таралған нуклеофил болып табылады. Григнард реагенттерінен өзге, маңызды органомагний реагенті – магний антрацені, онда магний орталық сақина арқылы 1,4-көпір құрайды. Ол жоғары белсенді магнийдің көзі ретінде қолданылады. Бутадиен дианионын алу үшін байланысты бутадиен-магний аддукты қолданылады. Органикалық химияда магний төмен валентті магний қосылыстары түрінде де кездеседі, негізінен магний +1 тотығу күйінде диатомдық иондар түзеді, бірақ соңғы кезде нөлдік тотығу күйінде немесе +1 және нөлдік күйлердің қоспасында да кездеседі. Мұндай қосылыстар синтезде редукторлар және нуклеофильді металл атомдарының көзі ретінде қолданылады.

Жарық көзі

Ауада жану кезінде магний күшті ультракүлгін сәулелерді қамтитын жарқын ақ жарық шығарады. Магний ұнтағы (жарық ұнтағы) фотосуреттің алғашқы жылдарында нысананы жарықтандыру үшін қолданылды. Кейін магний талшықтары бір рет қолданылатын, электрмен тұтандырылатын фотосуреттегі жарқырағыштарда пайдаланылды. Магний ұнтағы отшашу және теңіз шамында, жарқын ақ жарық қажет болғанда қолданылады. Ол сонымен қатар түрлі театрлық эффекттер үшін де қолданылды, мысалы, молния, тапаншаның оғы және мистикалық көріністер үшін.

Ерітіндіде анықтау

Магний иондарының болуын тұздың сулы немесе сұйылтылған HCl ерітіндісіне аммоний хлориді, аммоний гидроксиді және мононатрий фосфатын қосу арқылы анықтауға болады. Ақ түсті шөкпе пайда болуы магний иондарының бар екенін көрсетеді. Магний тұзының сілтілік ерітіндісінде азофиолет бояуы терең көк түске өзгереді. Бұл түс азофиолеттің Mg(OH)₂-ге сіңуінен туындайды.

Қоспалар

2013 жылы магний қорытпаларының жылдық тұтынуы бір миллион тоннадан аспады, алюминий қорытпаларымен салыстырғанда 50 миллион тоннаны құрады. Магний қорытпаларының тарихи түрде қолданылуы коррозияға ұшуға, жоғары температурада деформациялануға және өртенуге бейімділігімен шектелген.

Жоғары температурадағы ығысу және тұтанғыш

Магнийдің жоғары температурада иілуге (ұсықтап деформациялануға) бейімділігі мырыш және сирек кездесетін элементтермен қорыту арқылы күрт төмендейді. Қоспадағы кальцийдің шағын мөлшері өрт қаупін айтарлықтай азайтады.

Құралымдар

Магний өнеркәсіп және биология үшін маңызды түрлі қосылыстарды құрайды, оның ішінде магний карбонаты, магний хлориді, магний цитраты, магний гидроксиді (магнезия сүті), магний оксиді, магний сульфаты және магний сульфаты гептагидраты (Эпсом тұздары).

Изотоптар

Магнийдің үш тұрақты изотопы бар: , және барлығы табиғатта маңызды мөлшерде кездеседі (жоғарыдағы изотоптар кестесін қараңыз). Магнийдің шамамен 79%-ы – . Изотоп радиоактивті және 1950-1970 жылдары бірнеше атом электр станцияларында ғылыми тәжірибелер үшін өндірілді. Бұл изотоптың жартылай ыдырау периоды салыстырмалы түрде қысқа (21 сағат) және оның қолданылуы тасымалдау уақытымен шектелді. Нуклид алюминийге ұқсас изотоптық геологияда қолданылады. – радиогендік қызы, оның жартылай ыдырау периоды 717 000 жылды құрайды. Кейбір көміртекті хондрит метеориттерінің Ca-Al-ға бай инклюзияларында тұрақты изотоптың артық мөлшері байқалды. Бұл аномалиялық көптік оның ата-анасының инклюзияларда ыдырауымен байланысты, және зерттеушілер мұндай метеориттер күн бұлтында ыдыраудан бұрын пайда болған деген қорытындыға келді. Бұл – Күн жүйесіндегі ең көне нысандардың бірі және оның ерте тарихы туралы сақталған ақпаратты қамтиды. / қатынасын Al/Mg қатынасына қарсы кестеге түсіру қалыпты жағдай. Изохрондық жас анықтау кестесінде Al/Mg қатынасы ретінде пайдаланылады /. Изохронның тік өсуі жасқа қатысты мағынаға ие емес, бірақ жүйелер ортақ резервуардан бөлінген кездегі сынамадағы бастапқы / қатынасын көрсетеді.

Өндіріс

2017 жылы әлемдік өндіріс шамамен 1100 мың тоннаны құрады, оның көп бөлігі Қытайда (930 мың тонна) және Ресейде (60 мың тонна) өндірілді. 20 ғасырда АҚШ бұл металдың негізгі әлемдік жеткізушісі болды, тіпті 1995 жылы әлемдік өндірістің 45% -ын қамтамасыз етті. Қытай Pidgeon процесін игергеннен кейін АҚШ-тың нарық үлесі 7% -ға төмендеді, қазір АҚШ-та бір ғана өндіруші қалды: Юта штатындағы Renco Group компаниясының еншілес кәсіпорны – US Magnesium, бұл компания бұрынғы Magcorp компаниясының негізінде құрылған. 2021 жылдың қыркүйегінде Қытай, өндіріс салалары үшін энергия қолжетімділігін шектеу мақсатындағы үкіметтік бағдарлама аясында, магний өндірісін азайтуға қадам жасады, нәтижесінде бағалар күрт өсті.

YSZ процесі

Жаңа процесс – қатты оксид мембранасы технологиясы, MgO-ның электролиттік түрде тотықсыздануын қамтиды. Катодта Mg²⁺ ионы екі электронмен магний металлына дейін тотықсызданады. Электролит – иттриймен тұрақтандырылған цирконий (YSZ). Анод – сұйық металл. YSZ/сұйық металл анодында тотығу жүзеге асады. Сұйық металл анодының шетінде графит қабаты орналасқан, және осы интерфейсте көміртек пен оттегі реакцияласып, көміртек монооксидін түзетін болады. Егер күміс сұйық металл аноды ретінде қолданылса, тотықсыздаушы көміртек немесе сутек қажет емес, ал анодта тек оттегі газы бөлінеді. Бұл әдіс электролиттік тотықсыздау әдісімен салыстырғанда бір фунтқа шаққанда 40%-ға төмен қыналынады.

Тарих

Магний атауы грек тілінен Магнетис тайпасымен байланысты жерлерге қатысты сөзден шыққан, яғни Тесалиядағы Магнезия немесе қазіргі Түркиядағы Магнезия ад Сипилум аудандарынан. Ол магнит пен марганецке туыс, олар да осы аймақтан шыққан, сондықтан оларды жеке заттар ретінде ажырату қажет болды. Осы тарихқа марганец туралы мәліметтерде сіңіп қараңыз. 1618 жылы Англияның Эпсом қаласындағы шаруа өз сиырларына жергілікті құдықтан су беруге тырысты. Бірақ сиырлар судың ащы дәмінен ішпеді. Шаруа судың сызаттар мен жараларды емдейтінін байқады. Суды булатып алған зат Эпсом тұздары деп аталды және оның даңқы тарады. Кейіннен ол гидратталған магний сульфаты, ·7H2O екені анықталды. Металлдың өзін алғаш рет 1808 жылы Англияда сэр Хамфри Дэви бөліп алды. Ол магнезия мен сынап оксидінің қоспасына электролиз жүргізді. Антуан Бусси оны 1831 жылы тұтас күйде дайындады. Дэвидің алғашқы ұсынысы – «магний» деген ат болды.

Магний металл

Магний темір мен алюминийден кейін ең көп қолданылатын үшінші құрылымдық металл болып табылады. Магнийдің негізгі қолданылу салалары, реті бойынша: алюминий қорытпалары, цинкпен қорытылған құю (құйма құю), темір және болат өндірісінде күкіртті жою, және Кролл процесінде титан өндіру. Магний жеңіл материалдар мен қорытпаларда қолданылады. Мысалы, кремний карбиді нанобөлшектерімен қосылғанда, ол өте жоғары қатынастық беріктікке ие болады. Тарихи тұрғыдан алғанда, магний негізгі аэроғарыш құрылыс материалдарының бірі болды және ол Бірінші дүниежүзілік соғыста неміс әскери ұшақтарында, ал Екінші дүниежүзілік соғыста кеңінен қолданылды. Немістер магний қорытпасына "Электрон" деген ат қойды, бұл термин бүгінге дейін қолданылып келеді. Әуе кеме жасау саласында магний, өрт және коррозия қатеріне байланысты, көбінесе қозғалтқышқа қатысты компоненттерде ғана қолданылды. 21-ғасырда отын үнемдеу маңыздылығының артуына байланысты, аэроғарышта магний қорытпаларын қолдану өсуде. Металлургия және өндіріс саласындағы соңғы жетістіктер магний қорытпаларының кейбір қолданыстарда алюминий және болат қорытпаларын алмастыру мүмкіндігін ашты.

Ұшақ

Wright Aeronautical екінші дүниежүзілік соғыс кезінде магнийлі картерлі Wright R 3350 Duplex Cyclone авиациялық қозғалтқышын қолданды. Бұл, Boeing B-29 Superfortress ауыр бомбардировщигінің алғашқы үлгілері үшін үлкен мәселе тудырды, себебі ұшу кезінде қозғалтқышта болған өрт қозғалтқыш картерін тұтандырды. Соның салдарынан пайда болған жану температурасы 3100 °C-қа дейін жететін және қанаттың тірегін фюзеляждан үзіп тастауға мүмкіншілік беретін.

Автомобильдік

Мерседес Бенц ерте модель Мерседес Бенц 300 SLR машинасының корпусында электрон қорытпасын қолданды; бұл машиналар 1955 жылғы Әлем чемпионатында жарысты, соның ішінде Миль Мильяда жеңіске жетті, ал Ле-Манда 1955 жылғы Ле-Ман трагедиясына қатысты, онда көрермендерге электронның жанатын сынықтары төгілді. Porsche 1971 жылы Ле-Манда жеңіске жеткен 917/053 машинасының рамасын магний қорытпасынан жасады және салмақ артықшылығына байланысты қозғалтқыштарының блоктарында магний қорытпасын пайдалануды жалғастыруда. Volkswagen Group көп жылдар бойы қозғалтқыштарының компоненттерінде магнийді қолданып келеді. Mitsubishi Motors өздерінің барыс ауыстырғыштарында магнийді пайдаланады. BMW N52 қозғалтқышында магний қорытпасынан жасалған блоктарды қолданды, оның ішінде цилиндр қабырғалары үшін алюминий қорытпасынан жасалған енгізілген элемент және жоғары температураға төзімді магний қорытпасы AJ62A-мен қоршалған салқындатқыш жақтаулар болды. Бұл қозғалтқыш 2005-2011 жылдар аралығында 1, 3, 5, 6 және 7 сериялы түрлі модельдерде, сондай-ақ Z4, X1, X3 және X5 модельдерінде қолданылды. Chevrolet 2006 жылғы Corvette Z06 машинасының құрамында AE44 магний қорытпасын қолданды. AJ62A және AE44 екеуі де жоғары температурада аз деформацияланатын магний қорытпаларының соңғы үлгілері. Мұндай қорытпалар үшін қолданылатын жалпы стратегия – түйіршік шекараларында, мысалы, мишметал немесе кальций қосылу арқылы металл аралық шөгінділерді қалыптастыру.

Электроника

Магнийдің төмен тығыздығы және жақсы механикалық және электрлік қасиеттері болғандықтан, ол ұялы телефондар, ноутбуктер, планшет компьютерлер, камералар және басқа да электрондық компоненттерді жасауға қолданылады. Ол 2020 жылғы кейбір ноутбуктердегі жеңіл салмағының арқасында премиум мүмкіндік ретінде пайдаланылды.

Медицинадағы магний материалдары

Соңғы зерттеулер магний материалдарының адам организмінде сіңірілетін имплантаттық материал ретінде (мысалы, стент ретінде) жоғары даму әлеуетін көрсетеді. Көбінесе магний қорытпаларының құрамына кальций мен мырыш кіреді, бірақ сирек кездесетін элементтер мен күміс те зерттеледі. Магнийдің биодеградациялық қасиеті – бұл оны шектеулі мерзімге қолданылатын имплантат ретінде пайдаланудың маңызды артықшылығы, себебі ол белгілі бір уақыт өткен соң қауіпсіз түрде еріп кетеді. Бұл имплантты алып тастауға қатысты операциялық тәуекелдер мен шығындарды болдырмайды.

Құралымдар

Магний қосылыстары, негізінен магний оксиді (MgO), темір, болат, түсті металдар, шыны және цемент өндірісінде пеш қабырғаларын қаптауға арналған отқа төзімді материал ретінде қолданылады. Магний оксиді және басқа магний қосылыстары ауыл шаруашылығы, химия және құрылыс салаларында да пайдаланылады. Қыздыру арқылы алынған магний оксиді, отқа төзімді кабельдерде электр оқшаулағыш ретінде қолданылады. Магний гидриді сутекті сақтаудың бір жолы ретінде зерттеліп жатыр. Магний галоалкандармен реакцияласып, Гринард реагенттерін түзеді, олар көміртектің-көміртекті байланыстарын қалыптастыратын көптеген органикалық реакцияларда қолданылады. Магний тұздары түрлі тағамдардың, тыңайтқыштардың (магний хлорофилл құрамына кіреді) және микроорганизмдерді өсіру орталарының құрамына енгізіледі. Магний сульфиті қағаз өндірісінде (сульфит әдісі) қолданылады. Магний фосфаты құрылыста қолданылатын ағаштарды отқа төзімді ету үшін пайдаланылады. Магний гексафторсиликаты маталарды мольдан қорғау үшін қолданылады.

Әрекет ету механизмі

Фосфат және магний иондары арасындағы маңызды өзара әрекеттесу магнийді барлық белгілі тірі организмдердің барлық жасушаларының негізгі нуклеин қышқылы химиясы үшін қажет етеді. 300-ден астам ферменттерге магний иондары олардың катализдік әрекеті үшін қажет, соның ішінде АТФ-ты пайдаланатын немесе синтездейтін барлық ферменттер, сондай-ақ ДНК және РНК синтезі үшін басқа нуклеотидтерді қолданатын ферменттер. АТФ молекуласы әдетте магний ионымен келісімді қосылыс (хелат) түрінде кездеседі.

Диета

Дәмдеуіштер, жаңғақтар, жармалар, какао және көкөністер магнийдің жақсы көздері болып табылады. Қарақұмық сияқты жасыл жапырақты көкөністер де магнийге бай.

Тамақ ұсыныстары

Ұлыбританияда магнийдің ұсынылатын тәуліктік мөлшері ерлер үшін 300 мг, ал әйелдер үшін 270 мг құрайды. АҚШ-та 19-30 жас аралығындағы ерлер үшін 400 мг, ал одан үлкендер үшін 420 мг; әйелдер үшін 19-30 жас аралығындағылар үшін 310 мг, ал одан үлкендер үшін 320 мг.

Қосымшалау

Магнийдің көптеген фармацевтикалық препараттары мен диеталық қосымшалары қолжетімді. Адамдарға жасалған екі сынақ нәтижесінде, магний оксиді – салмағына шаққандағы магний мөлшері жоғары болғандықтан, магний диеталық қосымшаларындағы ең көп таралған түрлерінің бірі – магний цитраты, хлориді, лактаты немесе аспартатынан кем сіңдірілді.

Метаболизм

Ересек адам денесінде 22–26 грамм магний болады, оның 60% сүйектерде, 39% жасуша ішінде (20% қаңқа бұлшықеттерінде), ал 1% жасушадан тыс кеңістікте орналасқан. Магний бастапқы деңгейге қарай гиперкальциемияны болдырмауы немесе гипокальциемияны тудыруы мүмкін.

Серум мен плазмада анықтау

Магнийдің жағдайы сарысу және эритроциттердегі магний концентрациясын өлшеу, сондай-ақ зәр мен фекалиядағы магний мөлшерін анықтау арқылы бағалануы мүмкін, бірақ интравендік магний жүктемесі сынақтары одан да дәл және қолдануға ыңғайлы. Инъекцияланған дозаның 20% немесе одан көп бөлігі сақталуы тапшылықты көрсетеді. 2004 жылға дейін магний үшін ешқандай биомаркер белгіленбеген. Плазмадағы немесе сарысудағы магний концентрациясы препаратты емдік мақсатта қабылдағандардың тиімділігі мен қауіпсіздігін бақылау үшін, улануға ұшырағандарда диагнозды растау үшін, немесе залал келтіретін дозадан артық дозалау болған жағдайда сот-медициналық сараптама жүргізу үшін мониторингілеуі мүмкін. Босану кезінде парентеральді магний сульфаты алған аналардың жаңа туған нәрестелерінде сарысудағы магний деңгейі қалыпты болса да уыттану белгілері көрінуі мүмкін.

Жетіспеушілік

Плазмадағы магнийдің төмен деңгейі (гипомагнезимия) жиі кездеседі: ол жалпы халықтың 2,5–15% - ында табылады. 2005-2006 жылдар аралығында АҚШ халқының 48 пайызы тамақтану арқылы қабылдауға ұсынылған мөлшерден кем магний тұтынды. Басқа себептері – бүйрек немесе асқазан-ішек жолы арқылы жоғалудың күшеюі, жасуша ішіне магнийдің көшуінің артуы және протондық сорғы тежегіштерімен антиацидтік терапия. Көбінесе бұл жағдай симптомсыз өтеді, бірақ нейромыскулярлық, жүрек-қан тамырлары және метаболизмдік бұзылыстарға байланысты белгілер пайда болуы мүмкін.

Өте көп дозалау

Тек тамақтан ғана артық доза алу ықтимал емес, себебі қандағы артық магний бүйректер арқылы жылдам сүзіледі, тіпті сау бүйректері бар әйелде және жас қызда да ауыр гипермагниемия дамиды. Артық дозаның ең көп кездесетін белгілері – жүрек ауруы, құсу және диарея; басқа белгілерге гипотония, сананың шатасуы, жүрек және тыныс алу жиілігінің баяулауы, басқа минералдардың жетіспеушілігі, кома, жүрек аритмиясы және жүрек тоқтауынан болатын өлім жатады. Хлорофиллдегі порфирин сақинасының ортасындағы магний, гемдегі порфирин сақинасының ортасындағы темір сияқты қызмет етеді. Өсімдіктердегі магний тапшылығы көбінесе ескі жапырақтардағы жапырақ тамырлары арасында маусым соңында сарғаюға алып келеді, және оны епсом тұзын қолдану арқылы (ол тез шайылып кетеді) немесе топыраққа ұнтақталған доломит тасын салу арқылы түзетуге болады.