Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
http://monax.ru/order/ - рефераты на заказ (более 2300 авторов в 450 городах СНГ).
Mg
МАГНИЙ
План:
. Характеристика элемента.
. Получение магния.
. Свойства магния.
3.1. Физические свойства магния.
3.2. Химические свойства магния.
. Соединения магния.
.1. Неорганические соединения
.2. Магнийорганические соединения
. Природные соединения магния
. Определение магния в почвах, в воде
. Биологическое значение магния
. Области применения магния
. Жесткость воды
1. Характеристика элемента
Название «магнезия» встречается уже в III веке н.э., хотя не вполне ясно, какое вещество оно обозначает. Долгое время магнезит - карбонат магния - ошибочно отождествляли с известняком - карбонатом кальция. Слово магнезия происходит от названия одного из Греческих городов - Магнесии. До XVIII века соединения магния считали разновидностями кальциевых или натриевых солей. Открытию магния способствовало изучение состава минеральных вод. В 1695 году английский врач Крю сообщил, что им выделена из воды эпсомского минерального источника соль, обладающая лечебными свойствами, и вскоре был доказан её индивидуальный характер. Затем стали известны и другие соединения магния. Карбонат магния получил название "белая магнезия", в отличие от «чёрной магнезии» - оксида марганца. Отсюда и созвучие названий металлов, выделенных впоследствии из этих соединений.
Впервые магний был получен Деви (XIX в.) из окиси магния. Бюсси, Либих, Девильс, Карон и др получали магний действием паров калия или натрия на хлористый магний.
В 1808 г. английский химик Г. Деви электролизом увлажнённой смеси магнезии и оксида ртути получил амальгаму неизвестного металла, которому и дал название "магнезии", сохранившееся до сих пор во многих странах. В России с 1831 года принято название "магний". В 1829 г. Французский химик А. Бюсси получил магний, восстанавливая его расплавленный хлорид калием. Следующий шаг к промышленному получению сделал М. Фарадей. В 1830 г. он впервые получил магний электролизом расплавленного хлористого магния.
Промышленное производство магния электролитическим способом предпринято в Германии в конце XIX в. Перед второй мировой войной началось освоение термических способов получения магния.
В настоящее время наряду с развитием электролитического способа совершенствуются силикотермический и карботермический способы получения магния. На первой стадии развития магниевой промышленности в качестве сырья применяли хлористые соли карналлит, природные рассолы, хлоромагниевые щёлочи калийной промышленности.
Сейчас наряду с хлористыми солями широко используют доломит и магнезит. Большой интерес представляет применение в качестве сырья для производства магния из морской воды. В России электролитический метод получения магния впервые разработал П.П. Федотьев в 1914 г. в Петроградском политехническом институте. В 1931 г. в Ленинграде вступил в строй первый опытный магниевый завод. Промышленное производство магния в СССР начато в 1935 г.
+12Mg ))) 1S 2S 2P 3S 3P –электронная формула нормального атома
282
При затрате необходимой энергии один из электронов переходит в P-состояние, т.е. оба электрона становятся неспаренными. Поэтому магний проявляет степень окисления +2.
S2-валентные электроны
S2 2S2 2P6 3S1 3P1
- электронная формула возбуждённого атома
+12Mg +P12,n012
e12
Строение внешней электронной оболочки магния, обладающей структурой 3S, с двумя слабо связанными электронами объясняет восстановительный характер типичных реакций, в которых магний переходит в двухвалентный катион Mg+. Благодаря большому химическому сродству к кислороду, магний способен отнимать кислород у многих окислов и хлор у хлоридов. Это свойство в последнее время используется при магниетермическом получении титана, циркония, урана. При комнатной температуре на воздухе компактный магний химически стоек. На его поверхности образуется окисная пленка, предохраняющая от окисления. При нагревании химическая активность магния возрастает. Считается, что верхний температурный предел устойчивости магния в кислороде находится в интервале 350-400 оС. Кипящую воду магний разлагает с выделением водорода.
На магний не оказывает заметного действия дистиллированная вода, фтористоводородная кислота любой концентрации, хромовая кислота, водные растворы фтористых солей и др.
Разрушающее действие оказывает на магний морская и минеральная вода, водные растворы соляной, серной, азотной, фосфорной, кремнефтористоводородной кислот, водные растворы галоидных солей, сернистых соединений, аммиак и его водные растворы, органические кислоты, гликоли и гликолевые смеси, многи альдегиды.
Магний - один из самых распространенных в земной коре элементов, по распространенности занимает шестое место после кислорода, кремния, алюминия, железа и кальция. Содержание магния в литосфере, по А.П. Виноградову, сотавляет 2,10%. В природе магний встречается исключительно в виде соединений и входит в состав многих минералов: карбонатов, силикатов и др. Важнейшими являются следующие из них: магнезит MgCO, доломит MgCO*CaCO, карналлит MgCl*KCL*6HO, бруцит Mg(OH), кизерит MgSO, эпсонит MgSO*7HO, каинит MgSO*KCl*3HO, оливин (Mg,Fe) [SiO], серпентин HMgSiO.
Природный или естественный магний представляет собой смесь трех устойчивых изотопов Mg -78,6 %, Mg -10,1 %, Mg -11,3 %.
В реакциях магний практически всегда проявляет степень окисления +2 (валентность II). Для того, чтобы перевести атом магния из состояния 3S в реакционноспособное состояние 3S3P, нужно затратить 259 КДж/моль, а при последовательном отрыве электронов, т.е. ионизации Mg до Mg+ и Mg+2, требуется соответственно 737 КДж/моль и 1450 КДж/моль. Магний кристаллизуется в гексагональную плотноупакованную решетку.
2. ПОЛУЧЕНИЕ МАГНИЯ.
Преобладающий промышленный способ получения магния - электролиз расплава смеси MgCl2
MgCl2 Mg2+ 2Cl-
К -) А +)
Mg2+ +2e Mg0 2Cl- -2e Cl20
ЭЛ-3
2MgCl2 2Mg + 2Cl2
расплава
в безводных MgCl2, KCl, NaCl. Для получения расплава используют обезвоженный карналлит или бимофит, а также MgCl2, полученный хлорированием MgO или как отход при производстве Ti.
Температура электролиза 700-720 оС, аноды графитовые, катоды стальные. Содержание MgCl2 в расплаве 5-8 %, при снижении концентрации до 4 % уменьшается выход магния по току, при повышении концентрации MgCl2 выше 8 % увеличивается расход электроэнергии. Для обеспечения оптимального содержания MgCl2 периодически отбирают часть отработанного электролита и добавляют свежий карналлит или MgCl2. 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 Cl2. В термических способах получения магния сырьем служит магнезит или доломит, из которых прокаливанием получают MgO. 2Mg+O2=2MgO. В реторных или вращающих печах с графитовыми или угольными нагревателями оксид восстанавливают до металла кремнием (силиконотермический способ) или CaC2 (карбидотермический способ) при 1280-1300 оС, либо углеродом (карботермический способ) при темпратуре выше 2100 оС. 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.
3. СВОЙСТВА МАГНИЯ.
3.1. 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 оС, но в обычных условиях расплавить его довольно трудно: нагретый на воздухе до 550 оС 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 1S22S2P63S2; 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 MgF2; 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 оС, плотность = 1,74 г/см3, радиус атома 1,60 НМ.
3.2. 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 оС:
-2e
Mg(тв)+H+O(газ) Mg+2O(тв)+H (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 -4е
2Mg + C+4O 2Mg+2O+C,
Прекратить к горящему магнию доступ кислорода можно засыпав его песком, хотя и с оксидом кремния (IV) магний взаимодействует, но со значительно меньшим выделением теплоты:
-4е
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). Устойчивость магния к растворению во фтороводородной кислоте объясняется просто: поверхность магния покрывается нерастворимой во фтороводородной кислоте пленкой фторида магния MgF. 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:
NH++Mg=Mg+ + 2NH + H
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:
NH4+ NH3+H+
-2e
Mg0 + 2HCl=Mg+2Cl2+H02
2H++Mg Mg2+ + H02
При нагревании магния в атмосфере галогенов происходит воспламенение и образование галоидных солей.
-2e
Mg + Cl Mg+2+Cl-
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 (MgN). При повышенном давлении и нагревании с водородом магний образует гидрид магния
-2e
Mg+ H Mg+2H-.
Большое сродство магния к хлору позволило создать новое металлургическое производство - "магниетермию" - получение металлов в результате реакции
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, который магнием восстанавливается до металлического титана
-4e
Ti+4Cl4 + 2Mg0 Ti0+2Mg+2Cl2
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 KClO3, 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.
4. Соединения магния.
Для аналитической химии магния имеют значение его труднорастворимые и особенно внутрикомплексные (бесцветные, окрашенные или флуорисцирующие) соединения. Поляризующая способность иона Mg2+ невысокая, а по величине кэффициента поляризации, характеризующего количественно деформируемость иона, магний уступает большинству металлов. Поэтому комплексные соединения магния сравнительно малоустойчивы и образуются, как правило, только в щелочной среде. Тем не менее, они имеют чрезвычайно важное значение для аналитической химии магния. Меньшая устойчивость некоторых комплексных соединений магния, по сравнению с комплексами других металлов, иногда используется для маскирования последних при определении магния титриметрическими, фотометрическими и другими методами.
4.1. 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
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%.
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
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.
4.2. 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.
5. 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
MgO*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.
6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ 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.
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.
Обменный магний в почвах можно определять атомно-абсорбционным методом. 10г почвы встряхивают 30 минут с 50 мл 1М раствора CH3COONH4 с pH 5,9. Смесь фильтруют, промывают тем же раствором. Фильтрат с промывными водами разбавляют 1М раствором CH3COONH4 в мерной колбе до 100 мл, распыляют в пламя и фотометрируют. Стандартные растворы для получения данных для составления калибровочного графика должны содержать 0-100 мкг Mg/мл. Их готовят разбавлением смеси, содержащей 500 мкг Mg/мл, 2 мг Ca/мл, 50 мкг Na/мл и 125 мкг K/мл в 1М растворе CH3COONH4.
Определение в воде, кисотах и электролитах.
Для определения магния в воде можно использовать фотометрический метод с пикроминазо.
-10 мл воды переносят в мерную колбу ёмкостью 50 мл, добавляют 2 мл 0,005 % раствора микроминазо, 5 мл 0,5% раствора желатина, 15 мл 20% раствора NaOH и доводят объём водой до метки. Через 10-15 минут измеряют оптическую плотность. Малые количества магния в летучих кислотах предложено определять комплексонометрическим методом после удаления кислоты выпариванием досуха.
7. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ МАГНИЯ.
Живая материя содержит сотые доли процента магния, но эти доли процента исключительно важны. Магний входит в состав хлорофилла –зелёного пигмента растений, первичного приёмника солнечной энергии. С поглощения света хлорофиллом начинается один из важенйших природных процессов –фотосинтез. Его продуктами является и основная растительная масса, и кислород. Без магния нет хлорофилла, а без хлорофилла была бы невозможна жизнь на нашей планете. Функция молекул хлорофилла состоит в положении фотонов красной области видимого спектра (около 700 нМ) и передаче энергии возбуждения другим частицам, участвующим в цепи реакций, приводящих, в конечном счёте, к соединению воды и углекислого газа и их превращения в глюкозу с одновременным выделением молекулярного кислорода
6CO2 + 6H2O = C6H12O6 + 6O2
Опыты, проведённые венгерскими учёными на животных, показали, что недостаток магния в организме повышает предрасположенность к инфаркту. Французские биологи считают, что магний поможет медикам бороться с таким серьёзным недугом XXв, как переутомление. Исследования показывают, что в крови уставших людей уменьшается содержание магния, он как бы, «сгорает», что приводит к нарушениям работы сердечных мышц. При недостатке в почве солей магния рост и развитие растений приостанавливаются. При использовании органических удобрений обеспечивается круговорот магния. В случае же применения только минеральных удобрений необходимо периодическое введение в почву и магниевых соединений. Особенно нуждаются в магниевой подкормке растения –сахароносы: сахарная свекла и сахарный тростник.
Вам сына, или дочь?
Недавно биологи Франции установили любопытное влияние ряда элементов на… получение потомства. Оказывается, избыток калия в пище матери приводит к тому, что у неё рождаются преимущественно дети мужского пола. Если же её пища насыщена кальцием и магнием, то в потомстве преобладает женский пол. Возможно уже вскоре для будущих матерей врачи разработают специальные меню, гарантирующие рождение мальчика или девочки по заказу. Но прежде нужно будет ещё уточнить, распространяется ли подмеченное влияние этих элементов на человека: ведь описанные наблюдения относятся к коровам.
Берегите магний!
Французские биологи считают, что магний поможет медикам в борьбе с переутомлением. Исследования показывают, что в крови уставших людей содержится меньше магния, чем у здоровых, а даже самые ничтожные отклонения «магниевой крови» от нормы не проходят бесследно.
Важно помнить, что в тех случаях, когда человек часто и по любому поводу раздражается, магний, содержащийся в организме «сгорает». Вот почему у нервных, легко возбудимых людей нарушение работы сердечных мышц наблюдаются значительно чаще.
8. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МАГНИЯ.
Магний применяют в виде металлических пластин при защите от коррозии морских судов и трубопроводов. Защитное действие магниевого «протектора» связано с тем, что из стальной конструкции и магниевого протектора (магний стоит в электрохимическом ряду напряжений левее, чем железо) создаётся электрическая цепь. Происходит разрушение магниевого протектора; основная же стальная часть конструкции при этом сохраняется. В металлургии магний используют как «раскислитель» –вещество, связывающее вредные примеси в расплаве железа. Добавка 0,5% магния в чугун сильно повышает ковкость чугуна и его сопротивление на разрыв. Используют магний и при изготовлении некоторых гальванических элементов.
Сплавы магния играют в технике очень важную роль. Существует целое семейство магниевых сплавов с общим названием «электрон». Основу их составляет магний в сочетании с алюминием (10%), цинком (до 5%), марганцем (1-2%). Малые добавки других металлов придают «электрону» различные ценные свойства. Но главным свойством всех видов «электронов» является их лёгкость (1,8 г/см3) и прекрасные механические свойства. Их используют в тех отраслях техники, где особенно высоко ценится лёгкость: в самолёто- и ракетостроении. В последние годы созданы новые устойчивые на воздухе магниево-литиевые сплавы с совсем малой плотностью (1,35 г/см3). Их использование в технике очень перспективно. Магниевые сплавы цены не только из-за своей лёгкости. Их теплоёмкость в 2-2,5 раза выше, чем у стали. Аппаратура из магниевых сплавов нагревается меньше стальной. Используют и сплав алюминия с большим содержанием магния (5-30%). Этот сплав «магналит» твёрже и прочнее алюминия, легче обрабатывается и полируется. Число металлов, с которыми магний образует сплавы, велико. Из диаграммы, иллюстрирующей правило Юм-Розери, ясна удивительная особенность магния не смешиваться в расплаве со своим близким по положению в таблице Менделеева соседом –бериллием. Из-за сильного различия межатомных расстояний не образует магний сплавов и с железом.
Среди кислородных соединений Mg нужно отметить оксид магния MgO, называемый также жжёной магнезией. Он применяется в изготовлении огнеупорных кирпичей, т.к. температура его плавления 2800оС. Жжёная магнезия используется и в медицинской практике.
Интересны силикаты магния –тальк 3MgO*4SiO2*H2O и асбест CaO*MgO*4SiO2, обладающие высокой огнестойкостью. Асбест имеет волокнистое строение, поэтому его можно прясть и изготавливать из него спецодежду для работы при высоких температурах. Карбонаты и силикаты магния в воде нерастворимы.
Интерес к магнию и сплавам на его основе обусловлен, с одной стороны, сочетанием важных для практического использования свойств, а с другой стороны, большими сырьевыми ресурсами магния. Велика сфера использования магния и магниевых сплавов со специальными химическими свойствами, например в источниках тока и для протекторов при защите стальных сооружений от коррозии.
В СНГ, как и за рубежом, имеются большие запасы минерального сырья магния, удобные для его извлечения. Это месторождения твёрдых солей, содержащих магний, а также рассолы ряда соляных озёр. Кроме того, магний может извлекаться из морской воды. Таким образом для магния не стоит проблема истощения сырьевых ресурсов, которая приобретает всё большее значение для многих других, промышленно важных металлов. Хотя магний является одним из основных промышленных металлов, но объём его производства продолжает заметно уступать объёму производства алюминия и стали.
Определённую ориентировку в потребностях промышленности в магнии даёт рассмотрение его производства и потребления в развитых капиталистических и развивающихся странах. После второй мировой войны и вплоть до начала 70-х годов XX столетия в них наблюдался непрерывный рост производства и потребления магния, затем произошла его стабилизация. Крупнейшим производителем магния в капиталистических странах являются США, доля которых в общем производстве несколько больше 50%.
Конструкционные магниевые сплавы –это лишь одна, причём не самая большая по объёму область применения магния. Магний широко используется как химический реагент во многих металлургических процессах. В частности, он применяется в чёрной металлургии для обработки чугуна с целью десульфурации. В общем в последние годы имеется тенденция к расширению применения магния в качестве химического реагента. Значительное количество магния используется для получения титана, и надо искать пути повышения эффективности применения его в этих целях. Проявляется также значительный интерес к магнию и сплавам на его основе как аккумуляторам водорода.
Имеется определённая предубеждённость против магниевых сплавов со стороны потребителей в отношении их пожароопасности, низкой коррозионной стойкости, повышенной чувствительности к концентраторам напряжений. Эту предубеждённость следует преодолевать. В то же время следует продолжить работы, направленные на улучшение служебных характеристик магниевых сплавов, в частности на повышение их коррозийной стойкости.
Основные тенденции в развитии потребления магния в мире.
В последние годы за рубежом положение магния как одного из масштабных промышленных металлов упрочнилось: в 1980 году впервые в мирное время был превзойдён максимальный уровень производства магния военного 1943 года. Несмотря на отдельные спады, обусловленные общей неблагоприятной коньюктурой, потребление магния оставалось стабильным, хотя цены на него и выросли в 1,9 раза.
Самым крупным производителем и потребителем первичного магния за рубежом остаются США, но их доля в мировом потреблении за 1975-85гг сократилось с 51,7% до 41,5%. Норвегия и США –крупнейшие экспортёры магния: по 36-45 тыс. тонн в год. США являются также крупнейшим производителем магния из вторичного сырья.
Второе место по объёма потребления магния занимает Западная Европа (30%). Потребление магния в Японии оценивается на уровне 20-25 тыс. тонн в год, из которых 69% расходуется в производстве алюминиевых сплавов и высокопрочного чугуна, на отливки из магниевых сплавов –,9%.
Магний за рубежом используется во многих отраслях промышленности. Всё разнообразие направлений использования можно условно разделить на 3 группы:
В условиях дефицита магния также актуальной является задача более рационального использования имеющихся ресурсов металла, сокращение потерь его на всех этапах переработки и использования. Например, более эффективно может быть использован вторичный магниевый сплав типа МА9С6 для легирования алюминиевых сплавов взамен первичного металла. Предпочтительнее выглядит и прямое использование отходов из магниевых сплавов в виде брикетов стружки взамен чушкового металла, например, для десульфурации или модифицирования чугуна, производстве модификаторов типа железо-кремний-магний.
Использование магния в аппаратах космической и авиационной техники, автомобилестроении, различных агрегатах и ответственных приборах предъявляя особые требования к технологии производства литья из магниевых сплавов. Потребность народного хозяйства в магнии и магниевых сплавах значительно превышает возможность их производства. Это ставит перед металлургами, технологами и разработчиками новые проблемы повышения качества литья, использования лома и стружки, создание безотходных и малоотходных технологий производства. Обостряются вопросы экологии.
9. ЖЕСТКОСТЬ ВОДЫ
Природная вода, проходя через известковые горные породы и почвы, обогащается солями кальция и магния и становится жёсткой. В жёсткой воде при стирке белья увеличивается расход мыла, а ткань, впитывая соли, становится жёлтой и быстро ветшает. Нерастворимые соли кальция и магния осаждаются на внутренних стенках паровых котлов и трубопроводов. В жёсткой воде хуже и дольше варятся овощи.
Различают временную и постоянную жёсткость воды. При наличии временной жёсткости воды нагрев её приводит к выпадению осадков карбонатов CaCO3 и MgCO3. Временная жёсткость вызвана присутствием в воде гидрокарбонатов Mg(HCO3)2. Такая жёсткость устраняется кипячением воды :
Mg(HCO3)2 = MgCO3 + H2O + CO2
Постоянная жёсткость обусловлена другими солями кальция и магния, она не устраняется кипячением воды. Осадки малорастворимых и практически нерастворимых солей (CaSo4, CaSiO3, MgSiO3)могут выпадать вследствие следующих причин:
Для умягчения воды из неё необходимо удалить все соли кальция и магния, как Mg(HCO3)2, так и MgSO4, MgCl2 и др. Это достигается обработкой природной воды различными осадителями:
1. Действие известковой воды
Mg(HCO3)2 + Ca(OH)2 CaMg(CO3)2 + 2H2O,
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 2CaCO3 + 2H2O ;
2. Действие соды
MgSO4 + Na2CO3 MgCO3 + Na2SO4 ,
3CaCl2 + 2Na3PO4 Ca3(PO4)2 + 6NaCl.
Отметим, что один из указанных выше осадков, а именно карбонат магния –кальция CaMg(CO3)2, отвечает по составу природному веществу –минералу доломиту, также широко распространённому, как и кальцит. Он является важнейшим природным источником магния наравне с карналлитом KMgCl3*6H2O.
В химической лаборатории и в промышленности используется полностью обессоленная вода (для питья непригодна). Для этого природную воду подвергают перегонке (дистилляции). Такая дистиллированная вода является мягкой, подобно дождевой воде.
С практической точки зрения (например при эксплуатации паросиловых установок) существенна именно форма образующихся осадков. Накипи отлагаются на поверхностях нагрева, снижая экономичность установки и могут привести к перегреву стенки (поверхности нагрева). Шламы –рыхлые осадки –выпадают в объёме воды и не опасны, поскольку могут быть удалены. Поэтому все методы борьбы с жёсткостью воды направлены либо на очистку воды от ионов солей жёсткости, либо на искусственное осаждение солей жёсткости в форме шламов.
10. Практическая работа «Определение жёсткости воды»
10.1. Методы отбора проб.
1. Объём пробы воды для определения общей жёсткости должен быть не менее 250 мл.
. Если определение жёсткости не может быть проведено в день отбора пробы, то отмеренный объём воды, разбавленной дистиллированной водой 1:1, допускается оставлять для определения до следующего дня. Пробы воды, предназначенные для определения жёсткости не консервируют.
Аппаратура, материалы и реактивы.
Посуда мерная лабораторная стеклянная по ГОСТ 20292-74 вместимостью: пипетки –,25,50,100 мл без делений
Бюретка 25 мл.
Колбы конические по ГОСТ 25336-82 вместимостью 250 мл.
Капельницы по ГОСТ 25336-82.
Трилон Б
Аммоний хлористый
Аммиак водный 20% раствор
Гидроксиламин солянокислый
Кислота соляная
Натрий сернистый
Натрий хлористый
Спирт этиловый ректификованный
Цинк металлический гранулированный
Магний сернокислый –фиксанал
Хромогенчёрный специальный ЕТ-100 (индикатор)
Хромтёмно-синий кислотный (индикатор)
Все реактивы, используемые для анализа должны быть квалификации «Чистый для анализов»
Дистиллированная вода, перегнанная дважды в стеклянном приборе, используется для разбавления проб воды.
Приготовление 0,05 Н раствора трилона Б
9,31 г трилона Б растворяют в дистиллированной воде и доводят до 1 литра. Если раствор мутный, то его фильтруют. Раствор устойчив в течение нескольких месяцев.
Приготовление буферного раствора.
10 г хлористого аммония (NH4Cl) растворяют в дистиллированной воде, добавляют 50 мл 25% раствора аммиака и доводят до 500 мл дистиллированной водой. Во избежание потери аммиака раствор следует хранить в плотно закрытой склянке.
Приготовление индикаторов.
0,5 индикатора растворяют в 20 мл буферного раствора и доводят до 100 мл этиловым спиртом. Раствор индикатора хромтёмно-синего может сохраняться длительное время без изменения. Раствор индикатора хромогенчёрного устойчив в течение 10 суток. Допускается пользоваться сухим индикатором. Для этого 0,25 г индикатора смешивают с 50 г сухого хлористого натрия, предварительно тщательно растёртого в ступке.
Приготовление раствора сернистого натрия.
5г сернистого натрия Na2S*9H2O или 3,7г Na2S*5H2O растворяют в 100 мл дистиллированной воды. Раствор хранят в склянке с резиновой пробкой.
Приготовление раствора солянокислого гидроксиламина.
1г солянокислого гидроксиламина NH2OH*HCl растворяют в дистиллированной воде и доводят объём до 100 мл.
Приготовление 0,1H раствора хлористого цинка.
Точную навеску гранулированного цинка 3,269г растворяют в 30 мл соляной кислоты, разбавляют 1:1. Затем доводят объём в мерной колбе дистиллированной водой 1л. Получают точный 0,1Н раствор. Разведением этого раствора вдвое получают 0,05Н раствор. Если навеска неточная (больше или меньше, чем 3,269г), то рассчитывают количество миллилитров исходного раствора цинка для приготовления точного 0,05Н раствора, который должен содержать 1,6345 г цинка в 1 л.
Приготовление 0,05Н раствора сернокислого магния.
Раствор готовят из фиксанола, прилагаемого к набору реактивов для определения жёсткости воды и рассчитанного на приготовление 1 л 0,01Н раствора. Для получения 0,05Н раствора содержимое ампулы растворяют в дистиллированной воде и доводят объём раствора в мерной колбе до 200 мл.
Установка поправочного коэффициента к раствору трилона Б.
В коническую колбу вносят 10 мл 0,05Н раствора хлористого цинка или 10 мл 0,05Н раствора сернокислого магния и разбавляют дистиллированной водой до 100 мл. Прибавляют 5 мл буферного раствора, 5-7 капель индикатора и титруют при сильном взбалтывании раствором трилона Б до изменения окраски в эквивалентной точке. Окраска должна быть синей с фиолетовым оттенком при прибавлении индикатора хромтёмно-синего и синего с зеленоватым оттенком при прибавлении индикатора хромогенчёрный.
Титрование следует проводить на фоне контрольной пробы, которой может быть слегка перетитрованная проба.
Поправочный коэффициент к нормальности раствора трилона Б вычисляют по формуле
10
K=
V
где V –количество раствора трилона Б, израсходованное на титрование, мл.
Определению общей жёсткости воды мешают: медь, цинк, марганец и высокое содержание углекислых и двууглекислых солей. Влияние мешающих веществ устраняется в ходе анализа.
Точность определения при титровании 100 мл пробы составляет 0,05 мг*экв/л.
В коническую колбу вносят 100 мл отфильтрованной испытуемой воды или меньший объём, разбавленный до 100 мл дистиллированной водой. При этом суммарное содержание ионов кальция и магния во взятом объёме воды не должно превышать 0,5 мг/экв. Затем прибавляют 5 мл буферного раствора, 5-7 капель индикатора или приблизительно 0,1 г сухой смеси индикатора хромочёрного с сухим хлористым натрием и сразу же титруют при сильном взбалтывании 0,05Н раствором трилона Б до изменения окраски в эквивалентной точке. Окраска должна быть синей с зеленоватым оттенком.
Если на титрование было израсходовано больше 10 мл 0,05Н раствора трилона Б, то это указывает, что в отмеренном объёме воды суммарное содержание ионов кальция и магния больше 0,5 мг*экв. В таких случаях следует определение повторить, взяв меньший объём воды и разбавив его до 100 мл дистиллированной водой.
Нечёткое изменение окраски в эквивалентной точке указывает на присутствие меди и цинка. Для устранения влияния мешающих веществ к отмеренной для титрования пробе воды прибавляют 1-2 мл раствора сульфида натрия, после чего проводят испытание.
Если после прибавления к отмеренному объёму воды буферного раствора и индикатора титруемый раствор постепенно обесцвечивается, приобретая серый цвет, что указывает на присутствие марганца, то в этом случае к пробе воды, отобранной для титрования, до внесения реактивов следует прибавить 5 капель 1% раствора солянокислого гидроксиламина и далее определять жёсткость.
Если титрование приобретает крайне затяжной характер с неустойчивой и нечёткой окраской в эквивалентной точке, что наблюдается при высокой щёлочности воды, её влияние устраняется к пробе воды, отобранной для титрования, до внесения реактивов 0,1Н раствора соляной кислоты в количестве, необходимом для нейтрализации щёлочности воды, с последующим кипячением или продуванием раствора воздухом в течение пяти минут. После этого прибавляют буферный раствор, индикатор и далее определяют жёсткость.
Общую жёсткость воды в мг*экв/л вычисляют по формуле
V*0,05*K*1000
X=-----------------
V
где V –количество раствора трилона Б, израсходованное на титрование, мл
K –поправочный коэффициент к нормальности раствора трилона Б
V –объём воды, взятый для определения, мл.
Расхождение между повторными определениями не должно превышать 2 отн.%
Берем испытуемую воду в количестве 100 мл, в 2 колбы делаем параллельный анализ буферного раствора. Добавляем 5 мл буферного раствора в обе колбы, затем 5-7 капель индикатора хромтемно-синий, и начинаем титровать трилоном Б (0,1 норм. раств.)
В первую пробу ушло 5,8 мл трилона Б, во вторую пробу ушло 5,8 мл.
Обработка результатов:
5,8 мл х 0,05 х 0,9930 х 1000
Х= -------------------------------------- = 2,8797 мл экв/л
100
где, V –,8 мл
К –,9930
V–мл
ВЫВОД:
Содержание жесткости в воде находится в пределах нормы, так как пределом нормы является 1-10 мл х экв/л