Магний

этот метод был детально исследован и усовершенствован Робертом Бузеном

(1811–1897), который также осуществил первое массовое производство Магния.

С помощью его электролизера, состоящего из фарфорового тигля и двух

угольных электродов пилообразной формы, погружаемых сверху в расплав

обезвоженного MgCl2, ему удавалось всего за несколько секунд получать

“королек” магния весом в несколько грамм. Пилообразная форма электродов

была необходима для удержания капелек магния во избежание их подъема на

поверхность и самовоспламенения. При этом принципиальное значение для

повышения производительности играла полная обезвоженность MgCl2.

Технология электролитического получения магния за время своего

применения подверглась значительным усовершенствованиям, однако ее

принципы, естественно, остались без кардинальных изменений. Современное

аппаратурное оформление электролитического производства Магния

принципиально мало чем отличается от первого магниевого электролизера

промышленного типа на 300 а, разработанного Гретцелем и примененного им

впервые в 1883 г.

В качестве катода использовался стальной тигель (1), анода –

графитовый электрод (2) в центре диафрагмы (3) из пористого фарфора.

Диафрагма служила для разделения продуктов электролиза: магний поднимался

на поверхность электролита вне диафрагмы, а хлор отводился по трубке (4).

Тигель стоит на плите (5), закрепленной на решетке (6), и обогревался

горячими газами. Верхняя часть электролизера выступала над печью и

охлаждалась воздухом. Выделяющийся Mg периодически вычерпывался вручную

дырчатой ложкой. Любой восстановительный газ поступал из трубы (7) в

электролизер. В качестве электролита использовался расплавленный карналлит.

Основным промышленным способом получения магния и сейчас остается

электролиз обезвоженного или расплавленного хлористого магния или

карналлита. Получение 1 т металла с использованием этой технологии требует

затраты около 20 тыс. квт(ч электроэнергии.

До первой мировой войны во всем мире работало только 2 магниевых

завода – в Геттингене и в Биттерфельде, получавших магний электролизом его

расплавленных хлоридов. В то время производилось всего несколько сот тонн

магния в год, однако потребности всех стран в этом металле, в том числе и

России, импортировавшей магний, полностью удовлетворялись. Война превратила

магний в стратегический материал. Прекращение экспорта магния из Германии и

Франции заставило Англию и США наладить собственное его производство на

небольших электролизных установках.

В России электролитический метод получения магния впервые разработал

П.П.Федотьев в 1914 г. в Петроградском политехническом институте. В 1931 г.

в Ленинграде был пущен первый опытный магниевый завод, настоящее

промышленное производство в СССР ведется с 1935 г.

Сейчас большая часть магния получается электролизным способом, меньшая

– термическим. Основные производители магния в мире – Россия, США,

Норвегия, Франция, Англия, Италия, Канада.

Разработка термических способов получения магния

Мысль о возможности получения металлического магния путем

восстановления его оксида с помощью угля возникла сравнительно давно – в 80-

х гг. прошлого века, однако реализация этого процесса в ощутимых масштабах

оказалась возможной только в 30-е гг. текущего столетия. Карботермический

способ основан на обратимости реакции MgO+C+153 ккал ( CO+Mg, равновесие

которой при очень высоких температурах (выше 2000(C) смещено вправо.

Основное методическое препятствие, возникавшее на пути решения этой

проблемы, было связано с тем, что когда смесь MgO и С нагревали до высокой

температуры, восстановление магния действительно происходило, но при

постепенном охлаждении продуктов реакции (парообразного Mg и СО) вновь

образовывались исходные продукты – MgO и С. Было найдено следующее решение:

парообразный магний и СО стали разбавлять большим объемом холодных

восстановительных газов при резком снижении температуры с 2500о до 200о.

Таким образом осуществляется “закалка” продуктов реакции, что предотвращает

их обратное взаимодействие, и в конденсаторе образуется твердый

порошкообразный магний, так называемая “пуссьера”.

В настоящее время практически процесс проводят, накаливая тесную смесь

MgO (получаемой обжигом природного магнезита) c антрацитом в дуговой

электрической печи. Выделяющиеся пары тотчас разбавляют большим объемом

сильно охлажденного водорода. Освобождающийся в виде пыли металлический

магний (содержащий примеси MgO и C) затем переплавляют. Получаемый подобным

образом металл характеризуется высокой чистотой (99,97%).

Карботермический способ не сыграл, однако, заметной роли в истории

производства магния. Несмотря на свою принципиальную простоту, он не смог

конкурировать с электролитическим способом по следующим причинам:

1) удельный расход электричества при применении карботермического

способа оказался не ниже, чем в электролитическом способе;

2) электролитический процесс непрерывен на всех стадиях, тогда как

карботермический периодичен;

3) операции по переработке взрывоопасной пусьеры в компактный магний

сложны и трудоёмки.

Более значительную роль в истории магния сыграл другой термический

способ его получения – силикотермический (восстановление MgO кремнием с

получением свободного Mg).

В 1917 г. Гросвенов предложил восстановить MgO элементарным кремнием

при нормальном давлении в атмосфере Н2. Восстановление MgO кремнием и

кремнеалюминиевыми сплавами в вакууме впервые исследовали в 1925 г.

П.Ф.Антипин и А.А.Моисеев.

Силикотермический способ производства магния, так же как и

карботермический, начал внедряться в промышленности перед второй мировой

войной и стал широко применяться во время войны, когда необходимо было

быстро вводить в эксплуатацию новые магниевые заводы. Этому способствовала

распространенность дешевого сырья для такого производства и сравнительная

простота технологии силикотермического способа. В технологии, принятой для

промышленного осуществления этого процесса, исходным сырьем служит

обожженный доломит, а восстановителем – ферросилиций с содержанием не менее

75% Si. Смесь этих веществ накаливают под сильно уменьшенным давлением выше

1200(С. Реакция в этих условиях идет по уравнению

2(CaO(MgO)+Si+124 ккал=Ca2SiO4+Mg, причем единственным летучим ее продуктом

являются пары магния.

За прошедшие с тех пор десятилетия силикотермический способ

промышленного получения магния был существенно усовершенствован – от

малопроизводительных, периодически работающих реторт с внешним нагревом до

непрерывно действующих электротермических установок, оборудованных

современными средствами механизации и автоматизации.

Возможность применения распространенного и дешевого магниевого сырья

(магнезит, доломит), резкое сокращение пути от руды до металла,

безвредность производства, отсутствие необходимости в постоянном токе и

другие положительные качества делают силикотермический способ производства

магния в его современной технологическом решении перспективным, причем,

вероятно, в первую очередь для тех стран, которые не располагают источником

хлормагниевого сырья для электролиза.

Правда, суммарный расход электроэнергии на 1 кг силикотермического

магния (ввиду большого расхода ее на производство восстановителя –

ферросилиция) не ниже, а даже несколько выше, чем расход электроэнергии на

1 кг электролитического магния, т.е. составляет чуть больше 20 квт-ч

электроэнергии переменного тока на 1 кг товарного металла.

Это обстоятельство, а также надежность им масштабность

электролитического способа производства магния не позволяют пока успешно

конкурировать с ним силикотермическому способу при возможности свободного

выбора между ними. Тем не менее, значение термических методов получения

магния с каждым годом возрастает.

История применения магния

Наиболее ранней областью применения металлического магния было, по-

видимому, использование его в качестве восстановителя.

В 1965 г. Н.Н.Бекетов впервые применил магний для вытеснения с его

помощью алюминия из расплавленного криолита. Этот процесс в 80-е годы

прошлого века применялся промышленно на первом немецком алюминиевом заводе

в Гмелингене.

Несколько позже начали использовать способность порошка магния и

тонкой магниевой ленты гореть ослепительно белым пламенем с выделением

большого количества тепла. Это свойство магния получило применение в

фотографии для моментальных съемок, а также в пиротехнике и для военных

целей (для изготовления осветительных ракет). В обоих случаях магний обычно

смешивается с веществами, легко отдающими кислород. Ракетный осветительный

состав, например, может содержать 45% Mg, 48% NaNO3 и 7% связующего

органического вещества.

Наиболее важным практическим применением магния было использование его

в качестве основы различных легких сплавов. Затем он стал использоваться и

в других областях техники, благодаря своим специфическим физико-химическим

и механическим свойствам. По мере развития металлургии магния его получали

все в более чистом виде, что открывало для этого металла новые области

применения.

Неконструкционное применение магния.

Благодаря большому химическому сродству к кислороду магний способен

отнимать его у многих оксидов, также как и хлор у хлоридов. На этом

свойстве магния основана магниетермия, открытая Бекетовым как способ

получения других металлов вытеснением их магнием из соединений. Она

приобрела большое значение для современной металлургии. В качестве примера

можно указать, что магниетермия стала основным способом в производстве

таких металлов, как бериллий и титан. С помощью магниетермии были получены

такие трудновосстанавливаемые металлы, как ванадий, хром, цирконий и

другие. Магний используется для рафинирования вторичного алюминия от

примеси магния путем переплавки металла с жидкими хлоридными флюсами,

содержащими криолит. В этом случае магний из металлической фазы переходит в

солевую в форме фтористого магния.

Большая химическая активность магния по отношению к кислороду

позволяет применять его в качестве раскислителя в производстве стали и

цветного литья, а также (в порошкообразном виде) для обезвоживания

органических веществ (спирта, анилина и др.).

Важное значение в современной химической технологии получил синтез

сложных веществ с помощью магнийорганических соединений. Таким путем был

синтезирован, в частности, витамин А.

Высокий электроотрицательный электродный потенциал дал возможность с

большим эффектом применять магний в качестве материала для анодов при

катодной защите от коррозии стальных и железных сооружений, находящихся во

влажном грунте.

Легкая воспламеняемость дисперсного магния и способность его гореть

ослепительным белым пламенем долгое время использовалась в фотографии.

Магниевый порошок стали применять также в качестве высококалорийного

горючего в современной ракетной технике.

Введение небольшого количества металлического магния в чугун позволило

значительно улучшить его механические (в частности, пластические) свойства.

Глубокая очистка магния от примесей, достигнутая в последнее время,

позволила использовать его в качестве одного из компонентов при синтезе

полупроводниковых соединений.

2. Конструкционное применение магния.

Основное преимущество металлического магния – его легкость (магний –

самый легкий из конструкционных металлов). Технически чистый магний

обладает невысокой механической прочностью, однако введение в него в

небольшом количестве других элементов (алюминия, цинка, марганца) может

значительно улучшить его механические свойства почти без увеличения

удельного веса. На основе этих свойств магния был создан знаменитый сплав

“Электрон”, содержащий, помимо магния, 6% алюминия, 1% цинка и 0,5%

марганца. (В настоящее время под техническим названием “электрон”

понимаются вообще все сплавы, в которых магний является главной составной

частью). Плотность этого сплава – 1,8 г/см3; прочность на разрыв – до 32

кГ/мм2; твердость по Бринелю – 40–55 кГ/мм2. Этот, а также многие другие

сплавы на основе магния широко применялись в авиа- и автостроении. В

последнее время, однако, оказалось, что эти сплавы резко изменяют свои

механические свойства при повышении температуры, и они были признаны

непригодными. В результате было создано множество новых сплавов,

отличавшихся значительно лучшими механическими и антикоррозийными

свойствами, а также повышенной жаропрочностью и способностью сохранять свои

прочностные характеристики при повышении температуры. В эти сплавы

вводились небольшие добавки различных элементов – циркония, тория, цинка,

серебра, меди, бериллия, титана и других. Подобного рода сплавы нашли

широкое применение в авиации и ракетостроении.

Кроме того, было создано большое количество разнообразных сплавов, в

которых магний не является главной составной частью. Важнейшим из таких

сплавов является “магналий” – сплав алюминия с 5-30% магния. Магналий

тверже и прочнее чистого алюминия, легче последнего обрабатывается и

полируется.

Как “магналий”, так и “электрон” на воздухе покрываются защитной

окисной пленкой, предохраняющей их от дальнейшего окисления.

Введение 0,05% Mg в чугун резко повышает его ковкость и сопротивление

разрыву.

Многие магниевые детали применяются в настоящее время в самых разных

областях электротехники. Небольшой вес изделий, выполненных из магниевых

сплавов, явился также важной причиной применения их для изготовления

различных бытовых предметов и аппаратуры.

Магниевые детали очень хорошо поглощают вибрацию. Их удельная

вибрационная прочность почти в 100 раз больше, чем у лучших алюминиевых

сплавов, и в 20 раз больше, чем у легированной стали. Это очень важное

свойство при создании разнообразных транспортных средств.

Магниевые сплавы превосходят сталь и алюминий по удельной жесткости и

поэтому применяются для изготовления деталей, подвергающихся изгибающим

нагрузкам (продольным и поперечным). Магниевые сплавы немагнитны,

совершенно не дают искры при ударах и трении, легко обрабатываются резанием

(в 6-7 раз легче, чем сталь, в 2-2,5 раза – чем алюминий).

Магний и его сплавы обладают очень высокой хладостойкостью.

Долгое время считалось, что область возможного применения магния

ограничивается его легкой воспламеняемостью. Действительно, небольшие

кусочки магния воспламеняются на воздухе при температуре 550оС. Однако

изделия из магния и магний в слитках неогнеопасны, так как магний имеет

очень высокую теплопроводность и нагреваемый участок детали быстро

распространяет тепло по всей детали. Были даже попытки применения магния

для изготовления двигателей внутреннего сгорания; в испытаниях он хорошо

выдерживал тепло, но оказался недостаточно стоек к агрессивному воздействию

продуктов сгорания. Поэтому магниевые поршни используются редко, в основном

в гоночных машинах и в технике специального назначения.

Основной недостаток магния – пониженная стойкость против коррозии.

Магний сравнительно устойчив в сухом атмосферном воздухе в

дистиллированной воде, но быстро разрушается в воздухе, насыщенном водными

парами и загрязненном примесями, в особенности сернистым газом.

Магний нестоек в очень многих веществах, так как является самым

активны из конструкционных металлов. Его поверхностная активная пленка

имеет пористую структуру и поэтому слабо защищает от коррозии.

Магний совершенно устойчив к плавиковой кислоте и другим соединениям

фтора, так как при контакте с ним образуется слой MgF2 – прочная сплошная

пленка. На этом основано применение магния для изготовления тары и насосов

для перекачки плавиковой кислоты.

Магний стоек и при контакте с другими галогенами, причем, в отличие от

алюминия, он спокойно переносит сухой хлор и стремительно разрушается во

влажном.

На стойкости магния в броме и иоде основано применение его для

изготовления резервуаров для их хранения. Кроме того, он устойчив в

бензине, керосине, смазочных маслах, жирах и т.п. и из него делают емкости

для хранения нефти и нефтепродуктов и бензобаки.

Поверхность магниевых сплавов защищают от коррозии нанесением слоев

лака, пленкой более стойкого металла, либо электрохимической и химической

обработкой, а иногда – нанесением слоев эмали.

Чем чище магний, тем он устойчивее к коррозии. Это связано с тем, что

он вступает в электрохимическую реакцию с крупицами практически любых

других элементов, которая разрушает из двух веществ более активное.

Особенно вредоносными являются примеси железа, никеля, меди, хрома, свинца,

кобальта – они способствуют коррозии магния даже в очень небольших

количествах: например, предельно допустимая концентрация железа в

промышленно выпускаемом магнии составляет 0,01%, никеля – 0,0005%.

С другой стороны, такие элементы, как марганец, цирконий, цинк, титан

улучшают коррозионную стойкость магния: при добавлении к магниевому сплаву

нескольких девятых процентов титана коррозионная стойкость увеличивается в

3 раза.

Возможности применения магния еще далеко не исчерпаны, а если

учитывать широкое распространение магния в природе, относительную простоту

способов его производства и ряд благоприятных свойств этого металла, можно

полагать, что дальнейшее развитие металлургии магния будет в первую очередь

определяться его общетехническим значением.

Биологическая роль магния

В человеческом организме количество магния составляет всего несколько

десятых или сотых долей процента, однако он играет немаловажную роль в

процессах жизнедеятельности. Доказано, что недостаток магния в организме

способствует заболеванию инфарктом миокарда. Недостаточное количество

магния в крови – признак переутомления или стрессового состояния.

Основные продукты, содержащие магний – это абрикосы, персики, цветная

и белокочанная капуста, помидоры, картофель.

Потребность взрослого организма в магнии составляет 300–500 мг/день.

Обычно магний в достаточном количестве поступает с пищей, в случае нехватки

его недостаток проще всего восполнить, потребляя минеральную воду. В

организме усваивается менее 40% поступающего в него магния, так как его

соединения плохо всасываются кишечником. Магний усиливает процессы обмена

углеводов в мышцах, укрепляет кости; если в организме нарушено магние-

кальциевое равновесие, то почти весь магний включается в состав костных

тканей, вытесняя оттуда кальций. Это ведет к заболеванию рахитом.

В нервной системе также содержатся большие количества магния, особенно

в спинном мозге. Большое значения магния для деятельности нервной системы

подтверждается тем, что при инъекции магния в кровь человек или животное

впадает в состояние, близкое к наркотическому. Это свойство магния

используется в медицине.

В организмах некоторых животных содержание магния сравнительно высоко.

Так, например, в организме известковой губки содержится 4% магния, в

талломе некоторых водорослей – больше 3%.

Магний входит в состав хлорофилла и, следовательно, играет незаменимую

роль в фотосинтезе и в газообмене планеты; общее содержание магния в тканях

растений на Земле по некоторым оценкам составляет порядка 1011 тонн.

Кроме хлорофилла, магний во всех тканях растений участвует также в

образовании жиров, в превращении фосфорных соединений. Особенно много

магния в соке каучуконосных растений. Нехватка магния приводит к уменьшению

количества хлорофилла и к побледнению и смене окраски листьев на красную и

желтую.

Магний как лекарственное средство

Английская соль (MgSO4(7H2O) используется как слабительное и

желчегонное средство. При инъекциях она вызывает состояние, близкое к

наркотическому, и используется для борьбы с судорогами, для лечения

гипертонии, психического возбуждения; в сочетании с другими препаратами –

для обезболивания при родах.

Водные растворы тиосульфата магния используются для лечения ожогов и

других заболеваний кожи.

Белая магнезия (MgCO3) входит в состав зубных порошков и присыпок;

кроме того, она уменьшает кислотность желудочного сока.

Жженая магнезия (MgO) тоже нейтрализует желудочный сок. Кроме того,

она применяется внутрь при кислотных отравлениях.

Приложение. Практическая часть.

2Mg+O2=2MgO (магний горит в кислороде воздуха ослепительно-белым

пламенем).

Mg+2HCl=MgCl2+H2( (выделяемый кислород можно определить по пузырькам на

поверхности металла и по взрыву при поджигании).

Mg+H2O=Mg(OH)2+H2( (реакция идет очень медленно при кипячении).

Mg+2H2O+2NH4Cl=MgCl2+2NH4OH+H2( (при проведении реакции ощущается

характерный запах аммиака). В этой и предыдущей реакции образующийся MgCl2

можно определить с помощью реакции

MgCl2+2AgNO3=2AgCl(+Mg(NO3)2.

MgO+MgCl2+H2O=2MgOHCl (образование магнезиального цемента). Через

некоторое время цемент затвердевает.

MgO+H2O=Mg(OH)2 (реакция идет при нагревании). Образующийся Mg(OH)2 в этой

и следующей реакции можно определить по фиолетовому окрашиванию

добавляемого раствора фенолфталеина.

MgSO4+2NaOH=Mg(OH)2(+Na2SO4 (выпадает желтоватый осадок Mg(OH)2).

MgCl2+Na2CO3=MgCO3(+2NaCl (выпадает белый осадок MgCO3).

MgCO3+2HCl=MgCl2+CO2+H2

MgCl2+2AgNO3=2AgCl(+Mg(NO3)2

Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O.

MgCl2+NaOH=Mg(OH)2+2NaCl

Использованная литература

1. Беляев А.И. История магния. М.: Наука, 1974.

2. Некрасов Б.В. Основы общей химии. М.: Химия, 1967.

3. Николаев Г.И. Магний служит человеку. М.: Металлургия, 1978.

4. Самсонов Г.В., Перминов В.П. Магниды. Киев: Наукова думка, 1971.

5. Тихонов В.Н. Аналитическая химия магния. М.: Наука, 1973.

Страницы: 1, 2