Использование магния в аппаратах космической и авиационной техники

 

3.1. Неорганические  соединения магния.

Важнейшие соединения магния: оксид, гидроксид и соли магния.

Оксид магния - MgO хорошо знаком тем, кто занимается гимнастикой. Нанесенный на ладони порошок оксида магния (магнезии) предохраняет спортсмена от опасности сорваться с гимнастического снаряда (например перекладины).

Оксид магния - легкий, рыхлый порошок белого цвета, легко связывающий  воду. На этом и основано его применение гимнастами.

-4е

2Mg0 + C+4O2 2Mg+2O- + C0

 

-4е t

2Mg0 + O20 2Mg+2O-2

 

MgO образуется при прокаливании  гидроокиси и многих других  соединений магния. Окись магния  плавится при 2800оС, растворимость  ее в воде составляет 0,00062 г/100 г при 20оС. Аморфная окись магния, полученная прокаливанием соединений магния при низких температурах, гигроскопична, легко поглощает из воздуха влагу и углекислый газ с образованием основных карбонатов; хорошо растворяется в кислотах и в солях аммония. При прокаливании до 1000оС и выше образуется кристаллическая окись магния (кубическая сингония), которая теряет способность поглощать влагу и растворяться в кислотах. По литературным данным, прокаленная при 1000оС окись магния не меняет своего веса, если даже оставить на один час на воздухе. Все же желательно охлаждать окись магния при весовых определениях в эксикаторе и взвешивать по возможности быстро.

Оксид магния встречается  в природе в виде минерала периклаза. Получаемый прокаливанием природного магнезита оксид магния является исходным продуктом и для получения самого магния, и для получения искусственных строительных материалов ("ксилолит"). В основе ксилолита лежит магнезиальный цемент, получаемый смешиванием прокаленного оксида магния с 30% раствором хлорида магния. Образование полимерной структуры из атомов магния, связанных в цепь -O-Mg-O-Mg-O-, приводит к тому, что смесь через несколько часов образует белую, очень прочную и легко полирующуюся массу. При изготовлении ксилолита к смеси примешивают древесные опилки и другие наполнители. Ксилолитовые плиты используют для покрытия полов.

Карбонат магния (MgCO3) - бесцветное кристаллическое вещество, труднорастворимое в воде - растворимость его 0,0094 г/100г при 18оС. Карбонат из водных растворов выделяется лишь в присутствии большого избытка оксида углерода (IV) CO2; обычно образуются основные карбонаты. Из них основной карбонат 3MgCO3*Mg(OH)2*3H2O - соединение, труднорастворимое в воде (0,04 г/100г), но растворимое в солях аммония. При 900-1000оС разлагается с образованием окиси магния. При пропускании углекислого газа через водную взвесь карбоната магния происходит его растворение, благодаря образованию кислой соли (гидрокарбоната).

 

MgCO3+CO2+H2O Mg(HCO3)2

 

Двойной карбонат магния и  кальция MgCO3*CaCO3 - доломит - самое распространенное природное соединение магния, образует огромные залежи, в которых минерал часто бывает окрашен примесями в более или менее темные цвета. Карбонаты магния - магнезит и доломит широко применяют для изготовления огнеупорных материалов путем обжига их до оксидов. Такие материалы идут, например, на обкладку внутренней поверхности конвертеров для производства стали. Полуобожженный доломит - смесь MgO и CaCO3 используют для изготовления строительных плит и в качестве добавки в почву и воду для уменьшения их кислотности.

Искусственно приготовленный основной карбонат магния является исходным материалом для приготовления других соединений магния, он растворяется в  кислотах гораздо быстрее, чем магнезит. Кроме того, его применяют как  составную часть пудры, зубных порошков, а так же как наполнитель в  производстве красок, бумаги и резины.

Сульфат магния MgSo4

Из кислот магний выделяет водород:

 

Mg + H2SO4 = MgSO4+H2

 

MgSO4, в отличии от труднорастворимых  сульфатов щелочноземельных металлов  легко растворим в воде; растворимость  36,6 г MgSO4/100 г при 18оС. Образует  кристаллогидраты с 1,2,3,5,6,7 и 12 молекулами воды,из которых важнейшими  являются моногидрат (кизерит) и  гептагидрат (горькая соль). Кизерит  MgSO4 * H2O обезвоживается при 320-300оС. Безводный MgSO4 при температуре  1100-1200оС частично разлагается  на MgO, SO2 и O2. Кизерит встречается в природе в виде примесей в месторождениях калийных солей и карналлита. Интересно, что несмотря на значительную растворимость сульфата магния, кизерит очень медленно переходит в раствор. Поэтому при выщелачивании калийных солей остается в осадке в виде похожей на песок массы, которую перерабатывают в горькую соль. Горькая соль MgSO4*7H2O в природе содержится в осадочных породах, остающихся после высыхания озер, а также кристаллизуется из вод минеральных источников. На воздухе постепенно выветривается. Применяется для пропитки марли с целью снижения ее горючести, как наполнитель в производстве бумаги и в медицине - как слабительное. Сульфат магния гидролизуется очень слабо: 0,2N раствор его при 25оС показывает степень гидролиза 0,0047%.

Перхлорат магния

Mg(ClO4)2 - "ангидрон", дает  гидраты с 2,4,6 молекулами воды. Растворимость в воде 99,6 г/100г при 25оС. Безводный перхлорат магния очень сильно поглощает влагу; выше 250оС он разлагается. Используется как осушитель органических веществ и газов.

 

Гидроокись магния

2MgO+2H2O=2Mg(OH)2 выделяется при  действии щелочей на растворы  солей магния в виде объемистого  студенистого осадка. Гидроокись магния - слабое основание, легко растворяется в кислотах, из воздуха поглощает углекислый газ. Растворимость ее в воде зависит от степени старения, для свежеосажденной гидроокиси магния составляет 7,0*10 -4 моль/л.

Хлорид магния

-2е 

Mg0 + Cl20 Mg+2Cl2-

 

образует гидраты с 1,2,4,6 молекулами воды. Растворимость его  в воде 54,5 г/100г при 20оС (в расчете  на безводную соль). Хлорид магния с  хлоридами щелочных металлов образует двойные соли, важнейшие из них - карналлит 

 

MgCl2*KCl2*6H2O.

 

Для нитрата магния Mg(NO3)2 известны гидраты с 2,6 и 9 молекулами воды. Растворимость Mg(NO3)2*6H2O в воде при 25оС составляет 75г/100г, для Mg(NO3)2*9H2O) при 25оС - 50,6г/100г. Получение:

 

Mg + 2HNO3 Mg(NO3)2+H2

 

Фторид магния MgF2 - труднорастворимое в воде соединение. Плавится при 1265оС, с фторидами щелочных металлов образует двойные соли типа

M1F*MgF2 и 2M1F*MgF2.

 

3.2. Магнийорганические соединения.

Соединения магния с органическими кислотами.

 

Ацетат магния Mg(CH3COO)2 - хорошо растворимое в воде соединение.

Оксалат магния MgC2O4 - труднорастворимое соединение. В растворах оксалатов щелочных металлов или аммония оксалат магния образует комплексный ион [Mg(C2O4)2]-2.

Из органических кислот большое  значение имеют аминополикарбоновые  кислоты - комплексоны, особенно комплексон III. Прочность комплексоната магния значительно ниже, чем комплексонатов почти всех остальных металлов.

 

Окрашенные соединения магния с органическими реагентами.

 

Для аналитической химии  магния большое значение имеют окрашенные соединения его с органическими реагентами, используемые в качестве комплексонометрических индикаторов, для фотометрического определения и для обнаружения магния. Ион магния не обладает хромофорным действием, поэтому цветные реакции дают только соединения его с окрашенными органическими реагентами. Из них наиболее важны азосоединения, меньшее значение имеют трифенилметановые красители и соединения других классов.

 

соединения магния с азокрасителями.

 

При взаимодействии магния с некоторыми азокрасителями образуются интенсивно окрашенные внутрикомплексные соединения. Саввин и Петрова изучили цветные реакции магния с азосоединениями на основе хромотропной кислоты. Некоторые из них с магнием дают интенсивно окрашенные комплексы, пригодные для фотометрического определения магния. Диль и Эллингбоэ изучили образование магнием окрашенных соединений с 26 моноазосоединениями с целью использования их в качестве индикаторов для комплексонометрического определения магния.

К магнийорганическим относят химические соединения, в которых атом углерода непосредственно связан с атомом магния. Они представляют отдельный очень важный класс соединений магния. С их помощью химики синтезировали огромное количество органических соединений: лекарственных препаратов, витаминов, душистых веществ и т.д. История металлоорганических соединений началась в 1849 г, когда молодой английский химик Франкланд получил вещество, в котором атом углерода был непосредственно связан с цинком. Своей способностью вступать во все возможные реакции они сразу же привлекли внимание химиков. Однако их чрезвычайная активность, например, они мгновенно самовоспламенялись на воздухе, сильно затрудняла работу с этими веществами. В 1899 г французский ученый Ф.Барбье предложил заменить цинк на магний, обнаружив, что в присутствии диэтилового, "серного" эфира магний легко вступает в те же реакции, что и цинк.

Магнийорганические соединения оказались значительно эффективнее  цинко-органических, менее опасными в обращении и получили широкое распространение. Особая заслуга в их исследовании и внедрении в лабораторную практику принадлежит выдающемуся французскому химику В.Гриньяру. В 1900г он усовершенствовал метод синтеза, предложив разделить реакцию на две стадии: 1 - образование смешанного магнийорганического соединения в эфирной среде:

 

CH3Cl+Mg CH3MgCl

 

R1X+Mg RMgX, где R - углеводородный  радикал, а Х - галоген; 2 - взаимодействие RMgX с соединением, содержащим  карбонильную группу, приводит к  образованию новой углерод-углеродной  связи. Реакции такого типа  получили название по имени  автора открытия - "реакции Гриньяра". За эти работы В.Гриньяр был  удостоен в 1912г Нобелевской  премии. Магнийорганические галогениды  нашли широкое применение в  органическом синтезе. С их  помощью можно получать соединения  различных классов спирты, альдегиды, кетоны, эфиры, органические кислоты и т.д. Сам В.Гриньяр писал 1926г так: "Подобно хорошо настроенной скрипке, магнийорганические соединения под опытными пальцами могут дать звучание все новым неожиданным и более гармоничным аккордам". Использование магнийорганических соединений позволило получить органические производные многих элементов и привело к развитию целого направления - химии элементоорганических соединений, успешно развиваемое в нашей стране школой академика А.Н. Несмеянова.

К сожалению, создание крупномасштабного  производства на основе магнийорганических соединений встречает значительные трудности из-за исключительной пожароопасности эфира. В настоящее время разрабатываются методики применения магнийорганических соединений с использованием не столь горючих растворителей. Вероятно, недалеко то время, когда магнийорганические соединения будут применяться и в химической технологии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Природные соединения магния.

 

Минералы, в состав которых  входит магний, использовались человеком, начиная с каменного века. Зеленый, смешанный магниево-кальциевый минерал состава 2CaO*5ЭO*H2O*8SiO2 (Э-обозначает переменное кол-во магния и железа) обладает большой "вязкостью", он не растрескивается, не расслаивается при ударе. Из этого минерала первобытные люди изготовляли первые, примитивные инструменты. Образцы таких найденных в раскопках инструментов можно увидеть во многих музеях. За этим минералом сохранилось название, данное ему врачевателями древности - "нефрит". Считалось, что размолотый порошок нефрита помогает при заболеваниях почек. Другой магниевый минерал - асбест используется издревле для изготовления фитилей. В отличие от фитилей из хлопка, войлок и других материалов органической природы гореть в асбесте нечему: состав его выражается формулой

 

3MgO*2H2O*2SiO2.

 

Широко известен и другой магниевый минерал - тальк, который  содержит на каждую частицу магния вдвое больше оксида кремния (IV)

3MgO*H2O*4SiO2.

Этот минерал называют также "мыльным камнем", стеатитом или, по-русски, "жировиком". Тальком присыпают поверхность готовых резиновых изделий во избежании их слипания при хранении.

Мир минералов богат и  разнообразен. их известно более двух тысяч. Около 10% из этого огромного количества минералов - магниевые. Магний по распространенности в природе занимает восьмое место. В большей части этих минералов, как и в нефрите, асбесте и тальке, оксид магния связан с кремнеземом SiO2 - самым распространенным химическим соединением на Земле. Вместе с магнием в состав магниевых минералов подчас входят и другие элементы - металлы. Один из таких минералов - оливин Э2SiO4, где Э означает суммарное число атомов магния и железа. Среди минералов магния есть и такие, которые по красоте могут конкурировать с известными драгоценными камнями. Это водный силикат магния, окрашенный примесями в густой винно-желтый цвет, обнаруженный на Памире - клиногулит; он похож на драгоценный циркониевый минерал - глаулит.

Огромное количество магния содержится в водах океанов, морей  и соленых озер. В среднем в  одном м3 воды содержится более одного килограмма магния. В некоторых странах, не имеющих магниевого сырья (Англия, Норвегия, Италия), налажено производство магния из морской воды. Морское происхождение имеют и ископаемые месторождения магниевого минерала "карналлита". В отдаленном геологическом прошлом Земли неоднократно образовывались и высыхали моря и озера. При их испарении образовались гигантские залежи природных солей магния - карналлит - MgCl2*KCl*6H2O.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Определения магния в почвах, в воде.

Общее содержание магния в  почвах колеблется в пределах от 0,1 до 1%, содержание обменного магния составляет сотые и десятые доли процента.

Методы выделения  магния из почвы. Для извлечения обменного магния из почвы, предложены различные экстрагенты: 1М нейтральный раствор CH3COONH4, 2М раствор CH3COONH4 и т.д.

Метоты определения. Обменный магний в почвах можно определить комплексонометрическим методом. Однако из-за незначительного содержания магния в почвах для его определения лучше применять ортометрические методы: с титановым жёлтым, 8-оксихинолином и бриллиантовым жёлтым.

15 мл экстракта почвы,  полученного обработкой 1М раствора CH3COONH4, помещают в мерную колбу  ёмкостью 25 мл. Если объём аликвотной  части меньше 15 мл, то его доводят  до 15 мл 1М раствором CH3COONH4, добавляют  последовательно, перемешивая раствор  после прибавления каждого реагента: 5 мл смеси, содержащей равные  части однопроцентного раствора  поливинилового спирта, 0,5% раствора NaHSO3 и компенсационного раствора, 1 мл 0,04% раствора титанового жёлтого, 4мл 10N раствора NaOH и измеряют оптическую  плотность на фотоколориметре  при 540 НМ.