Применение магния. Применение магния и его сплавов в авиации и космонавтике

В среднем человеческий организм содержит около 25 г магния главным образом в костях и скелетной мускулатуре. Выведение магния из организма усиливается при стрессе, некоторых расстройствах здоровья и типах медикаментозного лечения, а также при высоких физических нагрузках. Меню, богатое рафинированными продуктами, не всегда дает человеку нужного количества магния. Дефицит нетрудно компенсировать биодобавками. Магний выпускается в виде соединений - оксида, сульфата, аспартата, карбоната, цитрата, глюконата.

Полезные свойства магния для организма

Необходим для сжигания в клетках органических веществ с выделением энергии, для нервного проведения, расслабления мышц, формирования костей и зубов. В сочетании с кальцием и калием он управляет сердечным ритмом и участвует в образовании инсулина.

Профилактика

Недавние исследования наводят на мысль о гипотензивном (снижающем артериальное давление) и антикоагулянтном (от тромбоза) действии магния, которое в сочетании со способностью этого элемента предупреждать спазмы артерий и опасные сердечные аритмии особенно полезно выздоравливающим после инфаркта миокарда.

Его адекватное поступление в организм важно для профилактики инсулинонезависимого диабета. Американские исследователи в течение 6 лет следили за уровнем магния более чем у 12 тыс. предрасположенных к диабету людей. Как выяснилось, когда этого элемента у них недостаточно, собственно болезнь развивается на 94% чаще, чем когда его много.

Основная польза магния

Свойства магния

Физико-химические свойства. Температура плавления магния 651 °С, температура кипения 1110 °C. На воздухе чистый магний медленно окисляется, покрываясь тонкой окисной пленкой, которая слабо предохраняет металл от дальнейшей коррозии. При нагревании магния в атмосфере азота до 500 °С образуется нитрид магния Mg3N2 - зеленоватый порошок, устойчивый без плавления до 600 °С. Магний слабо реагирует со щелочами и активно с разбавленными минеральными кислотами, выделяя при этом водород. Магний является химически активным металлом; он энергично восстанавливает менее активные металлы из их соединений.
С увеличением чистоты магния возрастает его устойчивость против коррозии. Хлористые соли и примеси металлов Fe, Si, Cu, Ni, Na, К резко понижают коррозионную стойкость магния в жидких средах. Скорость коррозии магния различной чистоты (марки Mг-1, сублимированного магния и очищенного зонной плавкой) в растворе соляной кислоты и хлорида калия представлена в табл. 9.
Скорость коррозии определялась по количеству водорода, выделившегося за один час с 1 см2 поверхности образца магния. Из табл. 9 следует, что содержание примесей существенно влияет на коррозионную стойкость магния. Магний, очищенный зонной плавкой, по коррозионной устойчивости сравним с магнием, очищенным сублимацией.

Механические свойства. Чистота магния оказывает значительное влияние на его механические свойства. Неметаллические включения, особенно окись магния, а также примеси меди, натрия и калия понижают его пластичность.
Ниже приведены значения предела текучести и прочности, относительного удлинения и микротвердости магния различной чистоты:

Из приведенных данных следует, что с повышением чистоты магния значительно возрастает относительное удлинение и понижаются пределы текучести, прочности, а также микротвердость магния. Магний, очищенный зонной плавкой, по своей прочности не уступает магнию, очищенному сублимацией, а по пластичности превосходит его. Это указывает на меньшее содержание в нем растворенных газов. Расплавленный магний поглощает большее количество водорода (0,26 см3/г), поэтому при кристаллизации металла вследствие выделения избыточного водорода в слитках образуется пористость.

Применение чистого магния

Магний высокой чистоты обладает рядом ценных свойств. Имея малое сечение захвата тепловых нейтронов (0,059 барна), сплавы на основе чистого магния являются хорошим конструкционным материалом в атомных реакторах при изготовлении оболочек тепловыделяющих элементов. Магний высокой чистоты широко применяется и в качестве восстановителя для получения урана из его тетрафторида. При этом резко возрастают требования к содержанию в магнии примесей с большим сечением захвата нейтронов.
Перспективным может быть применение высокочистого магния для синтеза полупроводниковых соединений с элементами IV-VI групп периодической системы Д.И. Менделеева. Ниже приведены свойства полупроводниковых соединений магния с элементами IV группы:

Эти соединения могут использоваться в термогенераторах, способных работать при повышенных температурах.
Магний, применяемый для синтеза полупроводниковых соединений, должен содержать минимальное количество электрически активных примесей, таких как медь, железо, бор, а также растворенных газов. Полупроводниковые свойства Mg2Pb были выявлены только после удаления из магния растворенных газов.
Магний чистотой 99,95% применяется как геттер в газоразрядных лампах с накаленным катодом, наполненным ртутью. Чистый магний применяют для изготовления катодов фотоумножителей и счетчиков Гейгера-Мюллера, предназначенных для регистрации излучений, лежащих в коротковолновой области спектра.
При использовании магния в качестве Конструкционного материала ограничивается содержание примесей, понижающих коррозионную стойкость, например, железа и хлоридов.
Выпускаемый отечественной промышленностью первичный магний, согласно ГОСТ 804-56, должен соответствовать по числу и содержанию примесей маркам магния Mг-1 и Mг-2. Ниже приведены предельно допустимые концентрации примесей, %:

Чистота магния по стандарту определяется по разности с восемью анализируемыми примесями. Полный анализ такого металла позволяет, однако, обнаружить в нем большое число и других примесей, правда в относительно небольших количествах. С помощью чувствительных методов анализа магния, полученного из морской воды, обнаружено в нем в качестве примесей около 60 различных элементов, содержание которых лежит в пределах 2*10в-4% (Al и Ca) - 6*10в-3% Cl. Характерным для магния, полученного из морской воды, является присутствие в нем примеси бора 4*10в-6%.
В магнии, извлеченном из электролизных ванн, всегда присутствуют примеси хлористых солей MgCl2, KCl, NaCl и CaCl2, захватываемых в виде электролита при отсасывании или вычерпывании магния из катодных ячеек ванны. Из неметаллических примесей в магнии часто присутствует окись магния.
Для рафинирования магния от солей и усреднения состава применяют переплавку его с флюсами. Для получения более чистого магния может быть применено несколько методов: возгонка в вакууме, электролитическое рафинирование и зонная плавка. В настоящее время промышленным способом очистки магния является возгонка его в вакууме.

Преобладающий промышленный способ получения магния - электролиз расплава смеси MgCl 2

MgCl 2 Mg 2+ 2Cl -

Mg 2+ +2e Mg 0 2Cl - -2e Cl 2 0

2MgCl 2 2Mg+ 2Cl 2

расплава

в безводных MgCl 2 , KCl, NaCl. Для получения расплава исполь­зуют обезвоженный карналлит или бимофит, а также MgCl 2 , полученный хлорированием MgO или как отход при производстве Ti.

Температура электролиза 700-720 о С, аноды графитовые, катоды стальные. Со­держание MgCl 2 в расплаве 5-8 %, при снижении концентрации до 4 % уменьшается выход магния по току, при повышении концентрации MgCl 2 вы­ше 8 % увеличивается расход электроэнергии. Для обеспечения оптимально­го содержания MgCl 2 периодически отбирают часть отработанного электро­лита и добавляют свежий карналлит или MgCl 2 . 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 Cl 2 . В термических спосо­бах получения магния сырьем служит магнезит или доломит, из которых прокаливанием получают MgO.2Mg+O 2 =2MgO . В реторных или вращающих печах с графитовыми или угольными нагревателями оксид восстанавливают до металла кремнием (силиконотермический способ) или CaC 2 (карбидотермический способ) при 1280-1300 о С, либо углеродом (карботермический способ) при темпратуре выше 2100 о С. В карботермическом способе (MgO+C Mg+CO) образующуяся смесь CO и паров магния быстро охлаждают при выходе из печи инертным газом для предотвращения обратной реакции с магнием.

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 темпратуре 651 о С, но в обычных усло­виях расплавить его довольно трудно: нагретый на воздухе до 550 о С 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 1S 2 2S 2 P 6 3S 2 ; 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 MgF 2 ; 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 о С, плотность = 1,74 г/см 3 , 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 о С:

Mg 0 (тв)+H 2 + O(газ) Mg +2 O(тв)+H 2 0 (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

2Mg 0 + C +4 O 2 2Mg +2 O+C 0 ,

Прекратить к горящему магнию доступ кислорода можно засыпав его пес­ком, хотя и с оксидом кремния (IV) магний взаимодействует, но со зна­чительно меньшим выделением теплоты:

2Mg 0 + Si +4 O 2 =2Mg +2 O+Si 0

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 HNO 3). Устойчивость магния к растворе­нию во фтороводородной кислоте объясняется просто: поверхность магния покрывается нерастворимой во фтороводородной кислоте пленкой фторида магния MgF 2 . 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=Mg 2+ + 2NH 3 + H 2

Удивительного в этой реакции нет. Эта реакция та же по существу, что и реакция вытеснения металлами водорода из кислот. В одном из определе­ний кислотой называют вещество, диссоциирующее с образованием ионов водорода. Именно так может диссоциировать и ион NH4:

NH 4 + NH 3 +H +

Mg 0 + 2HCl=Mg +2 Cl 2 +H 0 2

2H + +Mg Mg 2+ + H 0 2

При нагревании магния в атмосфере галогенов происходит воспламенение и образование галоидных солей.

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 (Mg 3 N 2). При повышенном давлении и нагревании с водородом магний обра­зует гидрид магния

Mg 0 + H 2 0 Mg +2 H 2 - .

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

MeCln+0,5nMg=Me+0,5nMgCl 2

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) TiCl 4 , который магнием восстанавливается до металли­ческого титана

Ti +4 Cl 4 + 2Mg 0 Ti 0 +2Mg +2 Cl 2

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 KClO 3 , 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.

Если вы собрались сделать одним из хобби создание пиротехнических образцов, то перед вами первым делом встает проблема поиска необходимых компонентов для своей работы. И самый актуальный вопрос - где взять магний? Мы дадим на него развернутый ответ, попутно разобрав все уникальные особенности данного элемента.

Важное о магнии

Первым делом познакомимся с ним. Магний - один из распространенных элементов менделеевской таблицы. Занимает 2% состава земной коры - это седьмое место среди других составляющих. Его соли можно найти в морских водах, отложениях самосадочных озер.

Известно также более 200 природных соединений, содержащих в себе магний. Однако в промышленности в качестве сырья используют по большей мере доломит, магнезит и карналлит. Их месторождения образованы осадочным путем в докембрийский период. Наиболее крупные залежи расположены на территории РФ, США, Китая.

Это легкий бело-серебристый металл. Характерен ярким горением белого оттенка с выделением большого количества тепловой энергии.

Как определить магний?

Выясняя, где взять магний, важно знать его отличительные особенности, дабы не спутать данный металл с каким-либо другим.

Основные признаки следующие:

Применение

Магниевый порошок, прежде всего, применяется в военном деле и пиротехнической промышленности. Он необходим для создания легковоспламеняющихся сухих смесей. Из-за яркого белого пламени он незаменим для осветительных ракет, фейерверков белого цвета.

Широко используется и в химической экспериментальной практике, так как является активным восстановителем как в органических, так и в неорганических реакциях. Применяется и при получении водорода в лабораториях.

Выпуск продукции

Тем кто ищет, где взять металл магний, будет интересно узнать, в каких формах он поставляется производителями. В основном, это стружка или порошок. Выпускается по ГОСТ 6001-79. По стандарту содержание магния во всех формах не должно быть менее 99%. Доля поглощенной воды при этом - не более 0,01%.

Основных марок четыре: МПФ-1, МПФ-2, МПФ-3, МПФ-4. Их расхождения только в размере магниевых гранул.

Так как порошок отличается высокой химической активностью, то он поставляется в герметичной жестяной таре, не пропускающей воздух. Это обязательное условие хранения, так как взаимодействие его с кислородом может привести к самовозгоранию.

Покупка порошка или стружки

Самый простой способ "добычи" - это купить или заказать элемент. Где взять порошок магния? Вы можете найти магазин в своем городе либо заказать доставку почтой порошка или стружки на дом.

Сегодня магний продается не только в объемных промышленных тарах. Вы легко можете заказать его в емкости любой подходящей для вас фасовки. Так, например, 1 кг порошка магния обойдется вам, в среднем, в 300 рублей.

Покупку возможно совершить в интернет-магазинах "Алибаба", "Русхим", "Русский металл", "БВБ Альянс", Shilanet и прочих.

Где взять магний в домашних условиях?

Необязательно тратиться на приобретение элемента для своих опытов. Обследуйте свое жилище, приусадебный участок, двор, чердак или хранилище старых инструментов. Там вы сможете найти "сырье" совершенно бесплатно. Подскажем, где взять магний вероятно:

• Улитка старой бензопилы "Дружба" - элемент на 80% состоит из магниевого сплава.
• Двигатель автомобиля "Запорожец". Состав его крышки и блока цилиндров - магниевый сплав.
• Магниевые аноды для котла. Если вы не нашли их дома, купить элементы легко в магазинах стройматериалов и бытовой техники.
• Металлические точилки для карандашей. Если у вас нет таких собственных принадлежностей, их можно за небольшую цену купить в канцтоварах.
• Любые детали, имеющие надпись МГ-90.

Можно обратиться в пункт сбора металлолома. Узнайте о наличии магния и, на всякий случай, алюминия - сборщики часто путают их между собой.

Добыча в промышленных условиях

Основной путь получения магния на производстве - электролитическая плавка безводного хлорида магния в электролизной ванне. Так происходит расщепление его солей на ионы хлора и металла. Периодически из ванны подымается чистый магний и вместо него запускается новое сырье.

Этот способ характерен наличием примесей, поэтому магний проходит через дополнительное очищение. Это электролитическое рафинирование в вакуумных условиях со спецдобавками - флюсами. Последние оттягивают на себя примеси, в результате чего выходит практически чистый магний (содержание примесей - не более 0,0001%).

Актуален и термический способ. Создаются условия повышенной температуры, в которых протекает химическая реакция оксида магния с кремнием или коксом. В результате из доломита (исходного сырья) образуется высокоочищенный магний без прохождения этапа разделения на соли (кальция и магния) и проведения очистки. При этом способе источником извлечения металла также вполне может стать морская вода.

Теперь мы в курсе, где взять магний в промышленных и домашних условиях. Элемент для самостоятельных опытов можно также купить или заказать.