MAGNIJS: VĒSTURE, STRUKTŪRA, ĪPAŠĪBAS, REAKCIJAS, LIETOJUMI - ĶĪMIJA - 2025

Magnija ir sārmzemju metāls, kas pieder pie periodiskās tabulas 2. grupā. Tā atomu skaitlis ir 12, un to apzīmē ķīmiskais simbols Mg. Tas ir astotais bagātīgākais elements zemes garozā, apmēram 2,5% no tā.

Šis metāls, tāpat kā tā radniecīgās vielas un sārmu metāli, dabā nav atrodams dzimtajā stāvoklī, bet apvienojas ar citiem elementiem, veidojot daudzus savienojumus klintīs, jūras ūdenī un sālījumā.

Ikdienas priekšmeti, kas izgatavoti ar magniju. Avots: Firetwister no Wikipedia.

Magnijs ir daļa no minerālvielām, piemēram, dolomīta (kalcija un magnija karbonāta), magnezīta (magnija karbonāta), karnalīta (magnija un kālija hlorīda heksahidrāta), brucīta (magnija hidroksīda) un silikātu, piemēram, talka un olivīns.

Bagātīgākais dabiskais avots tā pagarināšanai ir jūra, kuras pārpilnība ir 0,13%, lai gan Lielajā Sāls ezerā (1,1%) un Nāves jūrā (3,4%) ir augstāka magnija koncentrācija. Ir sālījumi ar lielu tā saturu, kas tiek koncentrēts iztvaicējot.

Nosaukums magnijs, iespējams, cēlies no magnezīta, kas atrodams Magnēzijā, Tesālijas reģionā, senajā Grieķijas reģionā. Lai gan ir norādīts, ka magnetīts un mangāns tika atrasti tajā pašā reģionā.

Magnijs spēcīgi reaģē ar skābekli temperatūrā virs 645 ° C. Tikmēr magnija pulveris deg sausā gaisā, izstarojot intensīvu baltu gaismu. Šī iemesla dēļ tas tika izmantots kā gaismas avots fotogrāfijā. Pašlaik šo īpašumu joprojām izmanto pirotehnikā.

Tas ir būtisks elements dzīvām būtnēm. Ir zināms, ka tas ir vairāk nekā 300 enzīmu, ieskaitot vairākus glikolīzes fermentus, kofaktors. Tas ir būtisks process dzīvām būtnēm sakarā ar tā saistību ar ATP, galvenā šūnu enerģijas avota, ražošanu.

Tāpat tā ir daļa no kompleksa, kas līdzīgs hemoglobīna hemu grupai, kas atrodas hlorofilā. Tas ir pigments, kas piedalās fotosintēzes realizācijā.

Vēsture

Atzīšana

Džozefs Melns, skotu ķīmiķis, 1755. gadā to atzina par elementu, eksperimentāli parādot, ka tas atšķiras no kalcija - metāla, ar kuru viņi to sajauc.

Šajā sakarā Melnais rakstīja: "Mēs jau ar eksperimentu redzam, ka magnēzija alba (magnija karbonāts) ir savdabīgas zemes un fiksēta gaisa savienojums."

Izolācija

1808. gadā seram Humprejam Deivijam izdevās to izolēt, izmantojot elektrolīzi, lai iegūtu magnija un dzīvsudraba amalgamu. Tas tika izdarīts, elektrolizējot mitrā sulfāta sāli, izmantojot katodu dzīvsudrabu. Pēc tam karsējot, iztvaicēja dzīvsudrabu no malgama, atstājot magnija atlikumu.

Franču zinātniekam A. Busiņam 1833. gadā izdevās izgatavot pirmo metālisko magniju. Lai to izdarītu, Bussy izveidoja kausēta magnija hlorīda reducēšanu ar metālisko kāliju.

1833. gadā britu zinātnieks Maikls Faradijs pirmo reizi izmantoja magnija hlorīda elektrolīzi, lai izolētu šo metālu.

Ražošana

1886. gadā vācu uzņēmums Aluminium und Magnesiumfabrik Hemelingen magnija iegūšanai izmantoja izkausēta karnalīta (MgCl ₂ · KCl · 6H ₂ O) elektrolīzi .

Hemelingenam sadarbībā ar Farbe industriālo kompleksu (IG Farben) izdevās izstrādāt paņēmienu liela daudzuma izkausēta magnija hlorīda iegūšanai elektrolīzē magnija un hlora ražošanai.

Otrā pasaules kara laikā Dow Chemical Company (ASV) un Magnesium Elektron LTD (UK) uzsāka jūras ūdens elektrolītisko reducēšanu; sūknēts no Galvestonas līča, Teksasā un Ziemeļjūrā uz Hartlepolu, Anglijā, magnija ražošanai.

Tajā pašā laikā Ontario (Kanāda) rada paņēmienu, kā to ražot, pamatojoties uz LM Pidžona procesu. Metode sastāv no magnija oksīda termiskās reducēšanas ar silikātiem ārēji karsētos retortos.

Magnija struktūra un elektronu konfigurācija

Magnijs izkristalizējas kompaktā sešstūra struktūrā, kur katru tā atomu ieskauj divpadsmit kaimiņi. Tas padara to blīvāku nekā citi metāli, piemēram, litijs vai nātrijs.

Tās elektroniskā konfigurācija ir 3s ² , ar diviem valences elektroniem un desmit no iekšējā apvalka. Ja ir papildu elektrons, salīdzinot ar nātriju, tā metāliskā saite stiprinās.

Tas ir tāpēc, ka atoms ir mazāks, un tā kodolā ir vēl viens protons; tāpēc tie rada lielāku pievilcību kaimiņu atomu elektroniem, kas samazina attālumus starp tiem. Tā kā ir divi elektroni, iegūtā 3s josla ir pilna, un tā spēj vēl vairāk sajust kodolu pievilcību.

Pēc tam Mg atomi izveido blīvu sešstūrainu kristālu ar spēcīgu metālisku saiti. Tas izskaidro tā daudz augstāku kušanas punktu (650 ºC) nekā nātrija (98 ºC).

Visu atomu visas 3s orbitāles un to divpadsmit kaimiņi visos virzienos pārklājas kristāla iekšienē, un divi elektroni aiziet, kamēr nāk divi citi; tā tālāk, bez Mg ²⁺ katjoniem .

Oksidācijas skaitļi

Magnijs var zaudēt divus elektronus, veidojot savienojumus, un paliek kā Mg ²⁺ katjons , kas ir izoelektronisks cēlgāzes neonam. Apsverot tā klātbūtni jebkurā savienojumā, magnija oksidācijas skaitlis ir +2.

No otras puses, un, kaut arī tas ir mazāk izplatīts, var veidoties Mg ⁺ katjons , kurš ir zaudējis tikai vienu no diviem elektroniem un ir izoelektronisks nātrijam. Ja tiek pieņemts, ka tā klātbūtne savienojumā ir, tad magnija oksidācijas skaitlis ir +1.

Īpašības

Ārējais izskats

Briljantbalta cieta viela tīrā stāvoklī, pirms oksidējas vai reaģē ar mitru gaisu.

Atomu masa

24.304 g / mol.

Kušanas punkts

650 ° C.

Vārīšanās punkts

1091 ° C.

Blīvums

1,738 g / cm ³ istabas temperatūrā. Y 1,584 g / cm ³ kušanas temperatūrā; tas ir, šķidrā fāze ir mazāk blīva nekā cietā, kā tas ir lielākajā daļā savienojumu vai vielu.

Saplūšanas karstums

848 kJ / mol.

Iztvaikošanas siltums

128 kJ / mol.

Molārā kaloritāte

24,869 J / (mol · K).

Tvaika spiediens

Pie 701 K: 1 Pa; tas ir, tā tvaika spiediens ir ļoti zems.

Elektronegativitāte

1.31 pēc Pingainga skalas.

Jonizācijas enerģija

Pirmais jonizācijas līmenis: 1,737,2 kJ / mol (Mg ⁺ gāze)

Otrais jonizācijas līmenis: 1450,7 kJ / mol (Mg ²⁺ gāze un prasa mazāk enerģijas)

Trešais jonizācijas līmenis: 7,732,7 kJ / mol (Mg ³⁺ gāze un prasa daudz enerģijas).

Atomu radio

160:00.

Kovalentais rādiuss

141 ± 17 vakarā

Atomu tilpums

13,97 cm ³ / mol.

Termiska izplešanās

24,8 µm / m · K 25 ° C temperatūrā.

Siltumvadītspēja

156 W / m K.

Elektriskā pretestība

43,9 nΩ · m 20 ° C temperatūrā.

Elektriskā vadītspēja

22,4 × 10 ⁶ S cm ³ .

Cietība

2,5 pēc Mosa skalas.

Nomenklatūra

Metāliskajam magnijam nav citu piedēvēto nosaukumu. Tā savienojumi, jo tiek uzskatīts, ka vairumā gadījumu to oksidācijas skaitlis ir +2, tiek minēti, izmantojot krājumu nomenklatūru, bez nepieciešamības minēto numuru norādīt iekavās.

Piemēram, MgO ir magnija oksīds, nevis magnija (II) oksīds. Saskaņā ar sistemātisko nomenklatūru iepriekšējais savienojums ir: magnija monoksīds, nevis monomagnija monoksīds.

Tradicionālās nomenklatūras pusē tas pats notiek ar krājumu nomenklatūru: savienojumu nosaukumi beidzas vienādi; tas ir, ar piedēkli –ico. Tādējādi saskaņā ar šo nomenklatūru MgO ir magnija oksīds.

Pretējā gadījumā citiem savienojumiem var būt vai nevar būt vispārpieņemti vai mineraloģiski nosaukumi, vai arī tie sastāv no organiskām molekulām (organiskā magnija savienojumiem), kuru nomenklatūra ir atkarīga no molekulārās struktūras un alkil (R) vai aril (Ar) aizvietotājiem.

Runājot par magnija organiskajiem savienojumiem, gandrīz visi no tiem ir Grinarda reaģenti ar vispārīgo formulu RMgX. Piemēram, BrMgCH ₃ ir metil magnija bromīds. Ņemiet vērā, ka nomenklatūra pirmajā kontaktā nešķiet tik sarežģīta.

Formas

Sakausējumi

Magnijs tiek izmantots sakausējumos, jo tas ir viegls metāls, ko galvenokārt izmanto sakausējumos ar alumīniju, kas uzlabo šī metāla mehāniskās īpašības. To izmantoja arī sakausējumos ar dzelzi.

Tomēr tā izmantošana sakausējumos ir samazinājusies, pateicoties tā tendencei korozēt augstā temperatūrā.

Minerāli un savienojumi

Reaģētspējas dēļ tas nav atrodams zemes garozā dabiskajā vai elementārajā formā. Drīzāk tā ir daļa no daudzajiem ķīmiskajiem savienojumiem, kas savukārt atrodas apmēram 60 zināmos minerālos.

Starp visizplatītākajiem magnija minerāliem ir:

-Dolomīts, kalcija un magnija karbonāts, MgCO ₃ CaCO ₃

-Magnesīts, magnija karbonāts, CaCO ₃

-Brucīts, magnija hidroksīds, Mg (OH) ₂

-karnalīts, magnija kālija hlorīds, MgCl ₂ · KCl · H ₂ O.

Tas var būt arī citu minerālu veidā, piemēram:

-Kieserīts, magnija sulfāts, MgSO ₄ H ₂ O

-Forsterīts, magnija silikāts, MgSiO ₄

-Hrisotils vai azbests, cits magnija silikāts, Mg ₃ Si ₂ O ₅ (OH) ₄

-Talks, Mg ₃ Si ₁₄ O ₁₁₀ (OH) ₂ .

Izotopi

Magnijs dabā ir atrodams kā trīs dabisko izotopu kombinācija: ²⁴ Mg ar 79% pārpilnību; ²⁵ Mg ar 11% pārpilnību; un ²⁶ Mg ar 10% pārpilnību. Turklāt ir 19 mākslīgie radioaktīvie izotopi.

Bioloģiskā loma

Glikolīze

Magnijs ir būtisks elements visās dzīvajās lietās. Cilvēkiem magnija daudzums dienā ir 300 - 400 mg. Tā ķermeņa saturs pieaugušā cilvēkā ir no 22 līdz 26 g, galvenokārt koncentrēts kaulu skeletā (60%).

Glikolīze ir reakciju virkne, kurā glikoze tiek pārveidota par piruvīdskābi, iegūstot 2 ATP molekulas. Piruvāta kināze, heksokināze un fosfrofuktāta kināze, cita starpā, ir glikolīzes enzīmi, kas kā aktivatoru izmanto Mg.

DNS

DNS veido divas nukleotīdu ķēdes, kuru struktūrā ir negatīvi lādētas fosfātu grupas; tāpēc DNS šķipsnas tiek pakļautas elektrostatiskai atgrūšanai. Na ⁺ , K ⁺ un Mg ²⁺ joni neitralizē negatīvos lādiņus, novēršot ķēžu disociāciju.

ATP

ATP molekulā ir fosfātu grupas ar negatīvi uzlādētiem skābekļa atomiem. Starp blakus esošajiem skābekļa atomiem notiek elektriska atgrūšana, kas varētu sašķelt ATP molekulu.

Tas nenotiek, jo magnijs mijiedarbojas ar kaimiņu skābekļa atomiem, veidojot helātu. Tiek teikts, ka ATP-Mg ir aktīvā ATP forma.

Fotosintēze

Magnijs ir būtisks fotosintēzes procesā, kas ir centrālais process augu enerģijas izmantošanā. Tā ir daļa no hlorofila, kuras iekšpusē ir struktūra, kas līdzīga hemoglobīna hema grupai; bet ar magnija atomu centrā, nevis dzelzs atomu.

Hlorofils absorbē gaismas enerģiju un izmanto to fotosintēzē, lai oglekļa dioksīdu un ūdeni pārvērstu glikozē un skābeklī. Glikozi un skābekli vēlāk izmanto enerģijas ražošanā.

Organisms

Magnija koncentrācijas samazināšanās plazmā ir saistīta ar muskuļu spazmām; sirds un asinsvadu slimības, piemēram, hipertensija; diabēts, osteoporoze un citas slimības.

Magnija jons ir iesaistīts kalcija kanālu darbības regulēšanā nervu šūnās. Augstās koncentrācijās tas bloķē kalcija kanālu. Gluži pretēji, samazinot kalciju, tiek aktivizēta nerva darbība, ļaujot kalcijam iekļūt šūnās.

Tas izskaidro muskuļu šūnu spazmu un saraušanos galveno asinsvadu sieniņās.

Kur atrast un produkcija

Magnijs dabā nav atrodams elementārā stāvoklī, bet ir daļa no aptuveni 60 minerāliem un daudziem savienojumiem, kas atrodas jūrā, klintīs un sālījumā.

Jūrā magnija koncentrācija ir 0,13%. Jūra sava lieluma dēļ ir galvenā magnija rezervuārs pasaulē. Citi magnija rezervuāri ir Lielais Sāls ezers (ASV) ar magnija koncentrāciju 1,1% un Nāves jūra ar koncentrāciju 3,4%.

Magnija minerāli, dolomīts un magnezīts, tiek iegūti no tā vēnām, izmantojot tradicionālās ieguves metodes. Tikmēr karnalīta šķīdumos tiek izmantoti šķīdumi, kas ļauj pārējiem sāļiem paaugstināties līdz virsmai, saglabājot karnalītu fonā.

Sālījumi, kas satur magniju, tiek koncentrēti dīķos, izmantojot saules sildīšanu.

Magniju iegūst ar divām metodēm: elektrolīzi un termisko reducēšanu (Pidžona process).

Elektrolīze

Izkausētos sāļus, kas satur vai nu bezūdens magnija hlorīdu, daļēji dehidrētu bezūdens magnija hlorīdu, vai minerālu bezūdens karnalītu, izmanto elektrolīzes procesos. Dažos gadījumos, lai izvairītos no dabiskā karnalīta piesārņojuma, tiek izmantots mākslīgais.

Magnija hlorīdu var iegūt arī, ievērojot uzņēmuma Dow izstrādāto procedūru. Ūdeni sajauc flokulātorā ar nedaudz kalcinētu minerālu dolomītu.

Maisījumā esošais magnija hlorīds tiek pārveidots par Mg (OH) ₂ , pievienojot kalcija hidroksīdu, saskaņā ar šādu reakciju:

MgCl ₂ + Ca (OH) ₂ → Mg (OH) ₂ + CaCl ₂

Magnija hidroksīda nogulsnes apstrādā ar sālsskābi, iegūstot magnija hlorīdu un ūdeni saskaņā ar aprakstīto ķīmisko reakciju:

Mg (OH) ₂ + 2 HCl → MgCl ₂ + 2 H ₂ O

Pēc tam magnija hlorīdu pakļauj dehidratācijai, līdz tiek sasniegta 25% hidratācija, pabeidzot dehidrēšanu kausēšanas procesā. Elektrolīzi veic temperatūrā no 680 līdz 750 ºC.

MgCl ₂ → Mg + Cl ₂

Diatomiskais hlors tiek izveidots pie anoda, un izkausēts magnijs peld virsū sāļiem, kur tas tiek savākts.

Termiskā samazināšana

Magnija kristāli, kas nogulsnējušies no tā tvaikiem. Avots: Warut Roonguthai Pidžona procesā sasmalcinātu un kalcinētu dolomītu sajauc ar smalki samaltu ferosilīciju un ievieto cilindriskos niķeļa-hroma-dzelzs retināšanas veidos. Retorti tiek ievietoti cepeškrāsns iekšpusē un ir virknē ar kondensatoriem, kas atrodas ārpus krāsns.

Reakcija notiek 1200 ° C temperatūrā un zemā spiedienā 13 Pa. Magnija kristālus noņem no kondensatoriem. Izgatavotos sārņus savāc no retortu apakšas.

2 CaO + 2 MgO + Si → 2 Mg (gāzveida) + Ca ₂ SiO ₄ (izdedži)

Kalcija un magnija oksīdus iegūst, kalcinējot dolomītā esošos kalcija un magnija karbonātus.

Reakcijas

Magnijs enerģiski reaģē ar skābēm, īpaši ar skābēm. Tā reakcija ar slāpekļskābi rada magnija nitrātu, Mg (NO ₃ ) ₂ . Tādā pašā veidā tas reaģē ar sālsskābi, iegūstot magnija hlorīdu un ūdeņraža gāzi.

Magnijs nereaģē ar sārmiem, piemēram, nātrija hidroksīdu. Istabas temperatūrā tas ir pārklāts ar ūdenī nešķīstošu magnija oksīda slāni, kas to aizsargā no korozijas.

Citu elementu starpā tas veido ķīmiskus savienojumus ar hloru, skābekli, slāpekli un sēru. Augstās temperatūrās tas ir ļoti reaģējošs ar skābekli.

Lietojumprogrammas

- elementārais magnijs

Sakausējumi

Magnija sakausējumi ir izmantoti lidmašīnās un automašīnās. Pēdējiem ir prasība kontrolēt piesārņojošo gāzu izmešus un samazināt mehānisko transportlīdzekļu svaru.

Magnija pielietojums ir pamatots ar tā mazo svaru, lielo izturību un vieglu sakausējumu izgatavošanu. Pieteikumos ietilpst rokas instrumenti, sporta preces, fotokameras, sadzīves tehnika, bagāžas rāmji, auto rezerves daļas, priekšmeti kosmiskās aviācijas nozarei.

Magnija sakausējumus izmanto arī lidmašīnu, raķešu un kosmosa satelītu ražošanā, kā arī foto kodināšanā, lai iegūtu ātru un kontrolētu gravējumu.

Metalurģija

Baltajam čugunam nelielā daudzumā pievieno magniju, kas uzlabo tā stiprību un kaļamību. Turklāt magniju, kas sajaukts ar kaļķi, ievada šķidrā domnas dzelzs formā, uzlabojot tērauda mehāniskās īpašības.

Magnijs ir iesaistīts titāna, urāna un hafnija ražošanā. Krolla procesā tas darbojas kā reducējoša viela titāna tetrahlorīdam, veidojot titānu.

Elektroķīmija

Magniju izmanto sausā kamerā, darbojoties kā anodu, bet sudraba hlorīdu - kā katodu. Kad magnijs ūdens klātbūtnē nonāk elektriskā kontaktā ar tēraudu, tas upurē koroziju, atstājot tēraudu neskartu.

Šāda veida tērauda aizsardzība ir sastopama kuģos, rezervuāros, ūdens sildītājos, tiltu konstrukcijās utt.

Pirotehnika

Magnijs pulvera vai sloksnes formā sadedzina, izstarojot ļoti intensīvu baltu gaismu. Šis īpašums ir izmantots militārajā pirotehnikā ugunsgrēka izcelšanai vai apgaismošanai ar signālraķetes.

Tā smalki sadalītā cietā viela ir izmantota kā kurināmā sastāvdaļa, īpaši cietās raķešu degvielās.

- Savienojumi

Magnija karbonāts

To izmanto kā apkures katlu un cauruļu siltumizolatoru. Būdams higroskopisks un šķīstošs ūdenī, to izmanto, lai novērstu parasto sāls sablīvēšanos sāls kratītājos un neplūstot pienācīgi ēdiena garšas laikā.

Magnija hidroksīds

Tam ir pielietojums kā antipirēns. Izšķīdināts ūdenī, tas veido plaši pazīstamo magnēzija pienu - bālganu suspensiju, kas izmantota kā antacīds un caurejas līdzeklis.

Magnija hlorīds

To izmanto augstas stiprības grīdas cementa ražošanā, kā arī piedevu tekstilizstrādājumu ražošanā. Turklāt to izmanto kā flokulantu sojas pienā tofu ražošanai.

Magnija oksīds

To izmanto ugunsizturīgu ķieģeļu ražošanā, lai izturētu augstu temperatūru, kā arī kā siltuma un elektrisko izolatoru. To lieto arī kā caureju un antacīdu.

Magnija sulfāts

To rūpnieciski izmanto cementa un mēslošanas līdzekļu ražošanai, miecēšanai un krāsošanai. Tas ir arī desikants. Epsom sāls, MgSO ₄ · 7H ₂ O, tiek izmantots kā tīrīšanas līdzeklis.

- minerāli

talka pūderis

To uzskata par vismazākās cietības standartu (1) Mosa skalā. Tas kalpo kā pildviela papīra un kartona ražošanā, kā arī novērš ādas kairinājumu un mitrināšanu. To izmanto karstumizturīgu materiālu ražošanā un kā daudzu kosmētikā izmantoto pulveru bāzi.

Krizotila vai azbests

To izmantoja kā siltumizolatoru un būvniecības nozarē griestu ražošanā. Pašlaik to neizmanto plaušu vēža šķiedru dēļ.

Atsauces

1. Mathews, CK, van Holde, KE un Ahern, KG (2002). Bioķīmija. 3 ^bija izdevums. Redakcija Pearson Educación, SA
2. Wikipedia. (2019. gads). Magnijs. Atgūts no: en.wikipedia.org
3. Klarks J. (2012). Metāla savienošana. Atgūts no: chemguide.co.uk
4. Korpuss AW (1917). Magnija kristāla struktūra. Amerikas Savienoto Valstu Nacionālās zinātņu akadēmijas raksti, 3 (7), 470–473. doi: 10.1073 / pnas.3.7.470
5. Timotijs P. Hanusa. (2019. gada 7. februāris). Magnijs. Encyclopædia Britannica. Atgūts no: britannica.com
6. Hangzhou LookChem Network Technology Co (2008). Magnijs. Atgūts no: lookchem.com