Магний

Общие сведения и методы получения

Магний ( Mg ) — серебристо-белый металл. Свое название элемент полу­чил по местности Магнезии в Древней Греции. Впервые был выделен в 1808 г. в виде амальгамы из оксида магния англичанином Дэви. Метал­лический магний получил в 1829 г. французский химик Бюссн, воздейст­вуя парами калия на расплавленный хлорид магния. Промышленное производство магния электролитическим способом было начато в Германии в конце XIX в.

Теоретические и экспериментальные работы по получению магния электролитическим способом в нашей стране были выполнены П. П. Федотьевым; процесс восстановления оксида магния кремнием в вакууме исследовал П. Ф. Антипин.

Содержание в земной коре 2,1 % (по массе).

В свободном виде магний в природе не встречается, а находится в виде силикатов, хлоридов, карбонатов и сульфатов. Для производства магния главным образом используют магнезит, доломит и карналлит.

Магнезит ( MgC 0₃) широко распространен в природе; содержит 40— 47 % MgO . Для производства магния используют высококачественный магнезит с минимальным содержанием примесей. Чистый магнезит содер­жит 28,8 % Mg .

Доломит ( CaC 0₃- MgC 0₃) содержит 18—25 % MgO . Чистый доломит содержит 21,7 % Mg .

Карналлит ( MgCl ₂ ' KCb 6 H _? 0) содержит 12—30 % MgCl ₂ ; в чистом карналлите 8,8 % Mg .

Металлический магний получают двумя способами: электролитичес­ким (около 70%) и термическим (около 30% общего производства). Электролитический способ включает два основных процесса: получение хлористого магния из исходного сырья и получение магния из MgCl ₂ путем электролиза. Термические способы получения магния (силикотермический, карбидно-термический) заключается в восстановле­нии его из обожженного магнезита или доломита. Первичный магний, полученный путем электролиза или термическим способом, подвергают рафинированию.

Физические свойства

Атомные характеристики. Атомный номер 12, атомная масса 24,32 а. е. м., атомный объем 14*10^—6 м³/моль, атомный радиус 0,162 нм, ионный ра­диус 0,074 нм. Электронная конфигурация 3s² . Первый потенциал иони­зации J=7,64 эВ. Электроотрицательность 1,2.

Магний обладает гексагональной плотноупакованной решеткой. Энер­гия кристаллической решетки 150,2 мкДж/кмоль.

Химические свойства

Нормальный электродный потенциал (ф₀) реакции Mg —2 e ** Mg ² + ра­вен— 2,38 В (по отношению к нормальному электроду), —1,55 В (по отношению к водородному) и —1,83 В (по отношению к каломелевому). Степень окисления +2.

Магний — химически активный металл. На воздухе окисляется с об­разованием на поверхности пленки оксида MgO , имеющей плотность 3,6 Мг/м³; при температурах ниже 450 °С она обладает защитными свойствами. При более высоких температурах пленка становится не­устойчивой и разрушается. Дальнейшее повышение температуры может привести к воспламенению магния. При нормальном давлении темпера­тура воспламенения магния равна 623 °С.

Магний практически не взаимодействует с холодной водой, а кипя­щую воду разлагает энергично. В морской и минеральной воде магний разрушается. В водных растворах большинства минеральных кислот и солей магний растворяется. Ионы хлора способствуют значительному коррозионному разрушению магния в водных растворах. Сульфаты, нитраты и фосфаты также усиливают коррозионные воздействия воды на магний. Он легко корродирует (анодно растворяется) в кислых и нейтральных растворах. При коррозии или анодной поляризации в ще­лочных растворах магний покрывается трудно растворимыми пленками. Из органических соединений коррозионное воздействие на магний ока­зывают метиловый спирт, глицерин и гликоль.

По данным Г. В. Акимова, И. А. Розенфельда и М. А. Тимоновоп, с увеличением рН коррозия замедляется, а при рН = 11 -4 -12 практически прекращается. Магний стоек в растворах плавиковой и хромовой кислот, соды, едких щелочей, а также в бензине, керосине, этиловом спирте и минеральных маслах. Поэтому его можно использовать для изготовле­ния трубопроводов, баков, цистерн, для транспортировки и хранения этих жидкостей.

Магний хорошо растворяет водород: при температуре кристаллиза­ции (жидкий магний) в нем растворяется около 50 см³/100 г, а в твер­дом— около 20 см³/100 f . При 660—700 °С магний вступает во взаимо­действие с азотом, образуя нитрид магния Mg ₃ N ₂ . Магний при темпера­туре 500—600 °С вступает во взаимодействие с серой, образуя сульфид MgS . Медь, железо и никель сильно снижают коррозионную стойкость магния. Поэтому содержание железа не должно быть более 0,04 %', меди — более 0,005 % и никеля — более 0,001 %. Магний практически не взаимодействует ни в жидком, ни в твердом состоянии с такими туго­плавкими переходными металлами, как хром, молибден, вольфрам, же­лезо и др., однако некоторые тугоплавкие переходные металлы — мар­ ганец, цирконий, никель и кобальт — растворяются частично в жидком магнии и даже входят, правда, в небольшом количестве в твердый рас­твор на его основе.

Хорошо растворимы в магнии и в твердом, и в жидком состояниях металлы с плотно застроенной d -оболочкой, к которым, например, отно­сятся цинк, кадмий, свинец, олово, висмут, таллий, индий. Наибольшей взаимной растворимостью отличаются магний и кадмий, у которых наи­меньшее различие в атомных диаметрах и строении электронных обо­лочек. Перечисленные металлы образуют с магнием ряд соединений, ко­торые в случае металлов IV и V групп подчиняются правилам валентности (например, Mg ₂ Sn , Mg ₂ Bi и др.). С металлами II и III групп магний образует фазы, для которых правило валентности уже не соблюдается.

Взаимодействие магния с элементами III группы Периодической си­стемы элементов с недостроенными d -оболочками имеет некоторые осо­бенности. В эту группу входят скандий, иттрий, а также редкоземель­ные металлы и торий. Эти элементы образуют с магнием ряд промежу­точных фаз и хорошо растворяются в нем в жидком состоянии. Диаграммы состояния этих элементов с магнием — эвтектического типа. Растворимость в твердом состоянии этих элементов в магнии невелика и обычно составляет 2—5 % (по массе), или 0,2—0,5 % (ат.).

Со щелочноземельными металлами (кальций, стронций, барий) и особенно со щелочными металлами магний не образует значительной области растворимости в твердом состоянии, что в основном связано с большим различием атомных диаметров. Исключением из этого правила является литий, атомный диаметр которого отличается от атомного диаметра магния всего на 2 %. В системах магния с натрием и калием имеются области несмешиваемости в жидком состоянии. Системы маг­ния с медью (серебром и золотом) относятся к эвтектическому типу. Закономерность растворимости меди и золота в магнии в твердом сос­тоянии трудно установить, так как эти элементы почти не растворяются в твердом растворе на основе магния. Растворимость серебра при тем­пературе эвтектики 16 % (по массе).

Технологические свойства

Литейные характеристики. Объемная усадка при кристаллизацл i 4,2 °/о, в твердом состоянии в интервале 649—20 "С 2 %.

Магний склонен к возгоранию, поэтому плавку ведут в железных тиглях под слоем флюса.

Магний в слитках, а также изделия из магниевых сплавов неогне­опасны. Опасность может представить магний в виде стружки, порошка или пыли. Взаимодействие воды с горячим и расплавленным магнием сопровождается взрывом.

Магний характеризуется при комнатной температуре низкой, а прн повышенных температурах хорошей технологической пластичностью. Поэтому его обработку ведут при повышенных температурах.

Температура начала рекристаллизации 85 °С, конца рекристаллиза­ции 200 °С.

Прессование магния и его сплавов ведут в интервале 300—480 °С (в зависимости от состава сплава) с небольшими скоростями (0,008— 0,05 м/с), прокатку — выше 340°С, заканчивая ее при 225—250 С. При холодной прокатке магний подвергают промежуточным отжигам. Для ковки и штамповки используют закрытые штампы и фигурные бойки.

Магниевые сплавы очень хорошо поддаются обработке резанием. Мощность, требуемая для снятия одинакового объема металла, при об­работке магниевых сплавов в 1,5—2,5 раза меньше, чем при обработке алюминиевых, и в 6—7 раз меньше, чем при обработке стали. При ме­ханической обработке магния и его сплавов скорость резания в семь раз выше, чем в случае сталей, и в два раза выше, чем в случае алюминие­вых сплавов.

Магний и его сплавы легко свариваются, особенно аргонно-дуговой сваркой.

Области применения

Магний используют главным образом для получения сплавов на его основе и для легирования алюминиевых сплавов.

Благодаря большому химическому сродству к кислороду магний применяют в качестве раскислителя в производстве стали и цветных сплавов, а также для получения трудно восстановимых металлов (тита­на, циркония, ванадия, урана и др.) путем вытеснения их из соединений. Магний используют также для получения высокопрочного модифициро­ванного чугуна. Для этой цели его вводят в количестве 0,3—1,2 % в расплавленный чугун.

В химической промышленности порошкообразный магний применяют для обезвоживания органических веществ (спирта, аиилииа и др.), а также для получения магиийорганических соединений. Его используют при получении тетраэтилсвинца, тетраметила и других препаратов, при­меняемых в качестве добавок к нефтепродуктам и в фармакологии. Магний в порошкообразном виде и в виде ленты используют в пиротех­нике, в фотографии для моментальных съемок, в военной технике. Маг­ниевый порошок добавляют в состав твердого ракетного топлива.

В последние годы на основе магния созданы сплавы с особыми фи­зическими и химическими свойствами (аиоды для источников тока, зву-копроводы для ультразвуковых линий задержки, сплавы с высоким демпфированием, для протекторной и катодной защиты и др.).