Оксид магния: свойства, применение и природные формы

Введение

Химическое соединение, встречающееся в природе в виде периклаза.

Оксид магния (MgO), или магнезия, — это белое гигроскопичное твердое минеральное вещество, которое встречается в природе в виде периклаза и является источником магния (см. также оксиды). Он имеет эмпирическую формулу MgO и состоит из кристаллической решетки, образованной ионами Mg2+ и ионами O2−, соединенными ионными связями. В присутствии воды образуется гидроксид магния (MgO + H2O → Mg(OH)2), однако этот процесс обратим и может быть отменен путем нагревания для удаления влаги. Исторически оксид магния был известен как магнезия альба (буквально, белый минерал из Магнезии), чтобы отличить его от магнезии нигры, черного минерала, содержащего то, что сейчас известно как марганец.

Оксиды, связанные

В то время как "оксид магния" обычно подразумевает MgO, также известно соединение – перекись магния MgO2. Согласно эволюционным предсказаниям кристаллической структуры, MgO2 термодинамически стабилен при давлениях выше 116 ГПа (гигапаскалей), а полупроводниковый субоксид Mg3O2 – при давлениях выше 500 ГПа. Благодаря своей стабильности, MgO используется как модельная система для изучения колебательных свойств кристаллов.

Электрические свойства

Чистый MgO не проводит электричество и обладает высоким электрическим сопротивлением при комнатной температуре. Чистый порошок MgO имеет относительную диэлектрическую проницаемость от 3,2 до 9,9 с приблизительными диэлектрическими потерями tan(δ) > 2,16x10³ при 1 кГц.

Огнеупорный изолятор

MgO ценится как огнеупорный материал, то есть твердое вещество, физически и химически стабильное при высоких температурах. Он обладает полезными свойствами – высокой теплопроводностью и низкой электропроводностью. Согласно справочнику 2006 года: крупнейшим потребителем оксида магния в мире является огнеупорная промышленность, которая в 2004 году в Соединенных Штатах использовала около 56% всего произведенного оксида магния, а остальные 44% были распределены между сельским хозяйством, химической промышленностью, строительством, экологическими и другими промышленными областями применения. MgO используется как огнеупорный материал для изготовления тиглей, а также в качестве изолятора в теплостойких электрических кабелях.

Нагревательные элементы

Он широко используется в качестве электрического изолятора в трубчатых нагревательных элементах, например, в нагревательных элементах электрических плит и варочных панелей. Доступны различные размеры ячейки сетки, наиболее распространенными из которых являются 40 и 80 ячеек на дюйм по стандарту Американского литейного общества. Широкое применение обусловлено его высокой электрической прочностью и умеренной теплопроводностью. Оксид магния обычно измельчается и прессуется с минимальным количеством воздушных зазоров или пор.

Цемент

MgO является одним из компонентов портландцемента в заводах сухого производства. В цементе Сорель MgO используется как основной компонент в сочетании с MgCl2 и водой.

Удобрение

MgO играет важную роль в качестве коммерческого удобрения для растений и корма для животных.

Огнезащита

Это основной огнезащитный компонент в строительных материалах. Как строительный материал, плиты из оксида магния обладают рядом привлекательных свойств: огнестойкость, устойчивость к термитам, влагостойкость, устойчивость к образованию плесени и грибка, а также прочность, но имеет и серьезный недостаток – он притягивает влагу и может вызвать повреждение влагой окружающих материалов. В дозах, достаточных для достижения слабительного эффекта, длительное применение может в редких случаях приводить к образованию энтеролитов, вызывающих кишечную непроходимость.

Обработка отходов

Оксид магния широко используется в ремедиации почв и грунтовых вод, очистке сточных вод, обработке питьевой воды, очистке выбросов в атмосферу и обработке отходов благодаря его способности к буферизации кислот и связанной с этим эффективности в стабилизации растворенных соединений тяжелых металлов. Многие соединения тяжелых металлов, такие как свинец и кадмий, обладают наименьшей растворимостью в воде при слабощелочных условиях (pH в диапазоне 8–11). Растворимость металлов повышает их нежелательную биодоступность и подвижность в почве и грунтовых водах. Гранулированный MgO часто смешивают с загрязненной металлами почвой или отходами, которые также обычно имеют низкий pH (кислые), чтобы довести pH до диапазона 8–10. Комплексы гидроксидов металлов, как правило, выпадают в осадок из водного раствора при pH 8–10. MgO упаковывают в мешки вместе с трансурановыми отходами в ячейках (панелях) на пилотном заводе по изоляции отходов, в качестве сорбента для минимизации комплексообразования урана и других актинидов с карбонат-ионами и, следовательно, для ограничения растворимости радионуклидов. Использование MgO предпочтительнее CaO, поскольку образующийся продукт гидратации (Mg(OH)2) менее растворим и выделяет меньше тепла гидратации. Дополнительным преимуществом является поддержание более низкого значения pH (около 10,5) в случае случайного попадания воды в слои сухой соли, в отличие от более растворимого Ca(OH)2, который привел бы к более высокому pH 12,5 (сильнощелочным условиям). Поскольку катион является вторым по распространенности катионом в морской воде и каменной соли, ожидается, что потенциальное высвобождение ионов магния при растворении в рассолах, проникающих в глубокое геологическое хранилище, также минимизирует геохимические нарушения.

Нишевые применения

В качестве пищевой добавки он используется в качестве средства, предотвращающего слеживание. Управлению по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США известно его применение в какао-продуктах, консервированном горошке и замороженных десертах. Его E-номер – E530. Он используется в качестве реагента при введении карбоксибензильной (Cbz) группы с использованием бензилхлороформата в EtOAc для N-защиты аминов и амидов. Допирование гидроксиапатита, биокерамического минерала, MgO (около 1–5% по весу) повышает вязкость при разрушении за счет миграции к границам зерен, где происходит уменьшение размера зерен и изменение механизма разрушения с межзернистого на трансзернистый. Прессованный MgO используется как оптический материал. Он прозрачен в диапазоне от 0,3 до 7 мкм. Показатель преломления составляет 1,72 при 1 мкм, а число Аббе – 53,58. Иногда он известен под торговой маркой Eastman Kodak Irtran 5, хотя данное обозначение устарело. Кристаллически чистый MgO доступен в продаже и находит ограниченное применение в инфракрасной оптике. Аэрозольный раствор MgO используется в библиотечном деле и управлении коллекциями для нейтрализации кислотности бумажных изделий, находящихся под угрозой. В этом процессе щелочность MgO (и подобных соединений) нейтрализует относительно высокую кислотность, характерную для бумаги низкого качества, тем самым замедляя скорость ее разрушения. Оксид магния используется в качестве оксидного барьера в спин-туннельных устройствах. Благодаря кристаллической структуре его тонких пленок, которые могут быть получены, например, методом магнетронного распыления, он демонстрирует характеристики, превосходящие характеристики обычно используемого аморфного Al2O3. В частности, для MgO достигнута спиновая поляризация около 85% против 40–60% для оксида алюминия. Значение туннельной магнитосопротивляемости также значительно выше для MgO (600% при комнатной температуре и 1100% при 4,2 K), чем для Al2O3 (около 70% при комнатной температуре).

Историческое использование

Исторически он использовался в качестве эталонного белого цвета в колориметрии благодаря хорошим рассеивающим и отражающим свойствам. Его можно наносить в виде напыления на поверхность непрозрачного материала для создания интегрирующей сферы. Ранние конструкции газовых горелок для освещения, такие как корзина Клемонда, в основном состояли из оксида магния.

Меры предосторожности

Вдыхание дыма оксида магния может вызвать металлическую лихорадку от дыма.