Введение

химический элемент

Магний – химический элемент с символом Mg и атомным номером 12. Это блестящий серый металл с низкой плотностью, низкой температурой плавления и высокой химической реакционной способностью. Как и другие щелочноземельные металлы (группа 2 периодической таблицы), он в природе встречается только в сочетании с другими элементами и почти всегда имеет степень окисления +2. Он легко реагирует с воздухом, образуя тонкую пассивирующую пленку оксида магния, которая замедляет дальнейшую коррозию металла. Свободный металл горит ярким белым светом. Металл получают главным образом электролизом солей магния, извлеченных из рассолов. Он менее плотный, чем алюминий, и используется преимущественно в качестве компонента прочных и легких сплавов, содержащих алюминий. В космосе магний образуется в больших стареющих звездах путем последовательного присоединения трех ядер гелия к ядру углерода. Когда такие звезды взрываются как сверхновые, большая часть магния выбрасывается в межзвездную среду, где может быть переработана в новые звездные системы. Магний – восьмой по распространенности элемент в земной коре.

Этот элемент является одиннадцатым по распространенности элементом по массе в человеческом теле и необходим для всех клеток и примерно 300 ферментов. Чистый поликристаллический магний хрупок и легко разрушается по плоскостям скольжения. Он становится гораздо более пластичным при легировании небольшим количеством других металлов, например, 1% алюминия. Пластичность поликристаллического магния также может быть значительно улучшена путем уменьшения размера зерна до примерно 1 микрона или меньше. В мелкодисперсном состоянии магний реагирует с водой, образуя газообразный водород:
Mg(т) + 2H2O(г) → Mg(OH)2(р-р) + H2(г) + 1203,6 кДж/моль
Однако эта реакция менее бурная, чем реакции щелочных металлов с водой, поскольку гидроксид магния накапливается на поверхности металла и замедляет дальнейшую реакцию.

Общая химия

Он слегка тускнеет на воздухе, хотя, в отличие от более тяжелых щелочноземельных металлов, для хранения не требуется бескислородная среда, поскольку магний защищен тонким слоем оксида, который достаточно непроницаем и трудноудалим. Непосредственное взаимодействие магния с воздухом или кислородом при атмосферном давлении приводит к образованию только "нормального" оксида MgO. Однако этот оксид можно соединить с перекисью водорода для получения перекиси магния MgO2, а при низкой температуре перекись может дополнительно реагировать с озоном, образуя сверхоксид магния Mg(O2)2. Магний реагирует с водой при комнатной температуре, хотя и значительно медленнее, чем кальций – аналогичный металл 2-й группы.

Воспламеняемость

Магний легко воспламеняется, особенно в порошкообразном виде или в виде тонких стружек, хотя зажечь его в массивном состоянии или навалом довольно сложно. После воспламенения такие пожары трудно потушить, поскольку они не реагируют на многие вещества, обычно используемые для тушения пожаров; горение продолжается в азоте (с образованием нитрида магния), в углекислом газе (с образованием оксида магния и углерода) и в воде (с образованием оксида магния и водорода, который также воспламеняется из-за тепла в присутствии дополнительного кислорода). Это свойство использовалось в зажигательном оружии во время ковровых бомбардировок городов во Второй мировой войне, где единственным эффективным средством гражданской обороны было засыпание горящей зажигательной смеси сухим песком, чтобы отсечь доступ кислорода. Магний также может использоваться в качестве воспламенителя для термита – смеси алюминиевого и железного порошка, которая воспламеняется только при очень высокой температуре.

Органическая химия

Органомагниевые соединения широко распространены в органической химии. Обычно они встречаются в виде реагентов Гриньяра, образующихся при взаимодействии магния с галогеналканами. Примерами реагентов Гриньяра являются бромид фенилмагния и бромид этилмагния. Реагенты Гриньяра выступают в роли распространенного нуклеофила, атакуя электрофильные группы, такие как атом углерода в полярной связи карбонильной группы. Важным органомагниевым реагентом, помимо реагентов Гриньяра, является магниевый антрацен, в котором магний образует 1,4-мостик над центральным кольцом. Он используется как источник высокоактивного магния. Родственный бутадиеновый аддукт магния служит источником бутадиенового дианиона. Магний в органической химии также встречается в виде низковалентных соединений, прежде всего в форме магния, образующего димерные ионы в степени окисления +1, но в последнее время также и в нулевой степени окисления или в смеси степеней окисления +1 и 0. Эти соединения находят применение в синтезе в качестве восстановителей и источников нуклеофильных атомов металлов.

Источник света

Когда магний горит на воздухе, он производит яркий белый свет, содержащий сильные ультрафиолетовые лучи. В ранние дни фотографии для освещения объектов использовался порошок магния (вспышечный порошок). Впоследствии магниевая нить применялась в одноразовых фотоламповых вспышках с электрическим воспламенением. Порошок магния используется в фейерверках и морских сигнальных ракетах, где требуется яркий белый свет. Он также применялся для различных театральных эффектов, таких как имитация молнии, выстрелов и сверхъестественных явлений.

Обнаружение в растворе

Наличие ионов магния можно обнаружить добавлением хлорида аммония, гидроксида аммония и монофосфата натрия к водному или разбавленному раствору HCl соли. Образование белого осадка указывает на присутствие ионов магния. Также можно использовать азо-фиолетовый краситель, который приобретает насыщенный синий цвет в присутствии щелочного раствора соли магния. Окраска обусловлена адсорбцией азо-фиолетового красителя гидроксидом магния Mg(OH)2.

Сплавы

В 2013 году потребление магниевых сплавов составляло менее одного миллиона тонн в год, по сравнению с 50 миллионами тонн алюминиевых сплавов. Их применение исторически ограничивалось склонностью магниевых сплавов к коррозии, высокотемпературной деформации под нагрузкой и воспламенению.

Высокая температурная прочность и воспламеняемость

Склонность магния к ползучести (постепенной деформации) при высоких температурах значительно снижается при легировании цинком и редкоземельными элементами. Горючесть значительно снижается при добавлении небольшого количества кальция в сплав.

Соединения

Магний образует множество соединений, важных для промышленности и биологии, включая карбонат магния, хлорид магния, цитрат магния, гидроксид магния (молоко магнезии), оксид магния, сульфат магния и гептагидрат сульфата магния (английская соль).

Изотопы

Магний имеет три стабильных изотопа: , и . Все они присутствуют в значительных количествах в природе (см. таблицу изотопов выше). Около 79% Mg – это . Изотоп радиоактивен и в 1950-х – 1970-х годах производился несколькими атомными электростанциями для использования в научных экспериментах. Этот изотоп имеет относительно короткий период полураспада (21 час), и его применение было ограничено сроками транспортировки. Нуклид нашёл применение в изотопной геологии, аналогично алюминию. является радиогенным продуктом распада , период полураспада которого составляет 717 000 лет. Избыточное количество стабильного было обнаружено в кальций-алюминиевых включениях некоторых углеродистых хондритов. Это аномальное обилие объясняется распадом его родительского изотопа в этих включениях, и исследователи заключают, что такие метеориты сформировались в солнечной туманности до распада . Это одни из самых древних объектов в Солнечной системе, сохранивших информацию о её ранней истории. Обычно строят график зависимости / от отношения Al/Mg. В графике изохронного датирования используется отношение Al/Mg, равное /. Угол наклона изохрона не имеет значения для определения возраста, но указывает на начальное соотношение / в образце в момент отделения систем от общего резервуара.

Производство

В 2017 году мировое производство составило около 1100 тыс. тонн, при этом основная часть производилась в Китае (930 тыс. тонн) и России (60 тыс. тонн). В XX веке США являлись крупнейшим мировым поставщиком этого металла, обеспечивая 45% мирового производства еще в 1995 году. С момента освоения Китаем процесса Пиджона доля рынка США снизилась до 7%, и остался лишь один американский производитель: US Magnesium, компания Renco Group, расположенная в штате Юта и выросшая из обанкротившейся Magcorp. В сентябре 2021 года Китай предпринял меры по сокращению производства магния в рамках правительственной инициативы по ограничению энергоснабжения для производственных отраслей, что привело к значительному росту цен.

Процесс YSZ

Новый процесс, технология твердооксидных мембран, включает в себя электролитическое восстановление MgO. На катоде ион восстанавливается двумя электронами до металлического магния. Электролит – циркония, стабилизированная иттрием (YSZ). Анод представляет собой жидкий металл. На границе раздела YSZ/жидкий металл происходит окисление. Слой графита граничит с жидким металлическим анодом, и на этой границе углерод и кислород реагируют с образованием монооксида углерода. При использовании серебра в качестве жидкого металлического анода не требуется восстановитель, такой как углерод или водород, и на аноде выделяется только кислород. Сообщается, что этот метод позволяет снизить стоимость на фунт на 40% по сравнению с методом электролитической редукции.

История

Название магний происходит от греческого слова, обозначающего места, связанные с племенем магнетов, либо район в Фессалии под названием Магнезия, либо Магнезия ад Сипилум, ныне расположенная в Турции. Оно связано с магнетитом и марганцем, которые также происходят из этой области, и потребовало разграничения как отдельных веществ. Подробности этой истории можно найти в статье о марганце. В 1618 году фермер из Эпсома (Англия) попытался напоить своих коров водой из местного колодца. Коровы отказались пить из-за горького вкуса воды, но фермер заметил, что вода, казалось, заживляла царапины и сыпь. Вещество, полученное при выпаривании воды, стало известно как английская соль (Epsom salt), и его слава быстро распространилась. Впоследствии было установлено, что это гидратированный сульфат магния, ·7H2O. Сам металл впервые был выделен сэром Хамфри Дэви в Англии в 1808 году. Он использовал электролиз смеси оксида магния и оксида ртути. Антуан Бусси получил его в когерентной форме в 1831 году. Дэви первым предложил название "магний".

Магний металл

Магний – третий по распространенности конструкционный металл после железа и алюминия. Основные области применения магния, в порядке убывания: алюминиевые сплавы, литье под давлением (в сплаве с цинком), удаление серы при производстве чугуна и стали, и производство титана в процессе Кролла. Магний используется в легких материалах и сплавах. Например, при легировании наночастицами карбида кремния он демонстрирует исключительно высокую удельную прочность. Исторически магний был одним из основных металлов, используемых в авиастроении, и применялся для немецких военных самолетов еще во время Первой мировой войны и в широком масштабе – во время Второй мировой войны. Немцы дали магниевому сплаву название "Электрон", которое используется и по сей день. В коммерческой авиационной промышленности применение магния обычно ограничивалось деталями двигателей из-за риска возгорания и коррозии. Использование магниевых сплавов в авиастроении растет в XXI веке, что обусловлено важностью топливной экономичности. Последние достижения в металлургии и производстве позволяют рассматривать магниевые сплавы как потенциальную замену алюминиевым и стальным сплавам в определенных областях применения.

Самолет

Wright Aeronautical использовала магниевый картер коленчатого вала в авиационном двигателе Wright R-3350 Duplex Cyclone времен Второй мировой войны. Это создавало серьезную проблему для первых моделей тяжелого бомбардировщика Boeing B-29 Superfortress, когда пожар в двигателе в полете воспламенял картер двигателя. Результирующее горение достигало температуры 5600 °F (3100 °C) и могло привести к обрыву лонжерона крыла от фюзеляжа.

Автомобильная промышленность

Mercedes-Benz использовал сплав Elektron в кузове ранней модели Mercedes-Benz 300 SLR; эти автомобили участвовали в чемпионате мира по спортивным автомобилям 1955 года, включая победу в Mille Miglia, а также в Ле-Мане, где один автомобиль стал участником трагедии в Ле-Мане 1955 года, когда на зрителей посыпались горящие обломки сплава Elektron. Porsche использовал рамы из магниевого сплава в 917/053, выигравшем Ле-Ман в 1971 году, и продолжает использовать магниевые сплавы для блоков двигателей благодаря их легкости. Volkswagen Group использует магний в компонентах двигателей на протяжении многих лет. Mitsubishi Motors применяет магний для лепестковых переключателей. BMW использовал блоки из магниевого сплава в двигателе N52, включая вставку из алюминиевого сплава для стенок цилиндров и рубашки охлаждения, окруженные высокотемпературным магниевым сплавом AJ62A. Этот двигатель устанавливался по всему миру с 2005 по 2011 год в различных моделях серий 1, 3, 5, 6 и 7, а также Z4, X1, X3 и X5. Chevrolet использовал магниевый сплав AE44 в Corvette Z06 2006 года выпуска. Сплавы AJ62A и AE44 – это последние разработки в области высокотемпературных магниевых сплавов с низкой склонностью к ползучести. Общая стратегия для таких сплавов заключается в формировании межметаллических осадков на границах зерен, например, путем добавления мишметалла или кальция.

Электроника

Из-за низкой плотности и хороших механических и электрических свойств магний применяется в производстве мобильных телефонов, ноутбуков, планшетных компьютеров, камер и других электронных компонентов. В некоторых ноутбуках 2020 года его использовали как премиальную особенность благодаря легкости.

Магний в медицине

Последние исследования демонстрируют высокий потенциал развития магниевых материалов как рассасывающегося имплантационного материала (например, стента) для организма человека. Обычно в магниевые сплавы добавляют кальций и цинк, но также исследуются редкоземельные металлы и серебро. Биоразлагаемость магния – ключевое преимущество при использовании его в качестве имплантата, предназначенного для кратковременного применения, поскольку он со временем растворяется без каких-либо рисков. Это позволяет избежать рисков и затрат, связанных с хирургическим удалением имплантата.

Соединения

Соединения магния, главным образом оксид магния (MgO), используются в качестве огнеупорного материала для футеровки печей при производстве железа, стали, цветных металлов, стекла и цемента. Оксид магния и другие соединения магния также применяются в сельском хозяйстве, химической и строительной промышленности. Оксид магния, полученный при кальцинации, используется как электроизолятор в огнестойких кабелях. Гидрид магния изучается как потенциальный способ хранения водорода. Магний реагирует с галогеналканами, образуя реагенты Гриньяра, которые применяются в широком спектре органических реакций для формирования углерод-углеродных связей. Соли магния входят в состав различных продуктов питания, удобрений (магний является компонентом хлорофилла) и сред для культивирования микроорганизмов. Сульфит магния используется в производстве бумаги (сульфитным способом). Фосфат магния применяется для огнезащиты древесины, используемой в строительстве. Гексафторсиликат магния используется для защиты текстиля от моли.

Механизм действия

Важное взаимодействие между фосфат-ионами и ионами магния делает магний незаменимым для фундаментальной биохимии нуклеиновых кислот во всех клетках всех известных живых организмов. Более 300 ферментов нуждаются в ионах магния для осуществления своей каталитической активности, включая все ферменты, использующие или синтезирующие АТФ, а также те, которые используют другие нуклеотиды для синтеза ДНК и РНК. Молекула АТФ обычно находится в комплексе с ионом магния.

Диета

Специи, орехи, злаки, какао и овощи – хорошие источники магния. Зеленые листовые овощи, например шпинат, также богаты магнием.

Диетические рекомендации

В Великобритании рекомендуемые суточные нормы потребления магния составляют 300 мг для мужчин и 270 мг для женщин. В США рекомендуемые диетические нормы (РДН) составляют 400 мг для мужчин в возрасте 19–30 лет и 420 мг для мужчин старше этого возраста; для женщин – 310 мг в возрасте 19–30 лет и 320 мг для женщин старше этого возраста.

Дополнение

Существует множество фармацевтических препаратов магния и биологически активных добавок. В двух клинических исследованиях на людях оксид магния, одна из наиболее распространенных форм в добавках магния благодаря высокому содержанию магния на единицу веса, оказался менее биодоступным, чем цитрат магния, хлорид, лактат или аспартат.

Метаболизм

Взрослый организм содержит 22–26 граммов магния, из которых 60% находится в костях, 39% – внутри клеток (20% – в скелетных мышцах) и 1% – во внеклеточной жидкости. Магний может как предотвратить гиперкальциемию, так и вызвать гипокальциемию, в зависимости от начального уровня кальция.

Обнаружение в сыворотке и плазме

Магний может быть оценен путем измерения концентрации магния в сыворотке и эритроцитах, а также содержания магния в моче и кале, однако внутривенные тесты с нагрузкой магнием более точны и удобны на практике. Удержание 20% или более введенного количества указывает на дефицит. По состоянию на 2004 год, биомаркера для магния не было установлено. Концентрацию магния в плазме или сыворотке можно контролировать для оценки эффективности и безопасности терапии, для подтверждения диагноза у потенциальных жертв отравления или для содействия судебно-медицинскому расследованию в случае смертельной передозировки. Новорожденные дети матерей, которым вводили парентеральный сульфат магния во время родов, могут проявлять признаки токсичности даже при нормальном уровне магния в сыворотке крови.

Недостаток

Низкий уровень магния в плазме (гипомагнезиемия) встречается часто: он выявляется у 2,5–15% населения. В период с 2005 по 2006 год 48% населения Соединенных Штатов потребляли меньше магния, чем рекомендовано в соответствии с нормами потребления питательных веществ. Другие причины включают повышенную потерю магния с почками или через желудочно-кишечный тракт, перемещение магния внутрь клеток и терапию ингибиторами протонной помпы. В большинстве случаев заболевание протекает бессимптомно, но могут возникать симптомы, связанные с нарушением функции нервно-мышечной, сердечно-сосудистой и метаболической систем.

Передозировка

Передозировка магнием только из-за употребления продуктов питания маловероятна, поскольку избыток магния в крови быстро выводится почками, даже у людей с нормальной функцией почек, как в случае с женщиной и молодой девушкой, описанных в клинической практике. Наиболее распространенными симптомами передозировки являются тошнота, рвота и диарея; другие симптомы включают гипотензию, спутанность сознания, замедление сердечного и дыхательного ритма, дефицит других минералов, кому, сердечную аритмию и смерть от остановки сердца. Магний, находящийся в центре порфиринового кольца хлорофилла, выполняет функцию, аналогичную функции железа в центре порфиринового кольца гема. Недостаток магния у растений проявляется в позднем пожелтении между жилками листьев, особенно на старых листьях, и может быть устранен путем внесения в почву сульфата магния (который быстро вымывается) или измельченного доломитового известняка.