Mg · Element 12 · Alkaline earth metals
The metal at the centre of chlorophyll — and the one that burns with a light bright enough to blind a camera.
Строение
Это не схема из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование связей.
Измеренные значения
Каждая полоса показывает, какое место магний занимает среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные массы IUPAC 2021 года · Справочник химии и физики CRC · NIST. Значения, отмеченные ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Radius 160 pm — that is 0.16 nm, so about 3125 million of them side by side would span a millimetre.
Тепловой диапазон
Магний is liquid over a 440 K window, from 923 K to 1363 K.
История
Лёгкий прочный металл. Необходим для хлорофилла и сотен ферментов.
Открытие магния в 1808 году стало непосредственным продолжением революционного успеха Хамфри Дэви с натрием и калием годом ранее. После своих выдающихся успехов в электролизе, принёсших ему международное признание, Дэви систематически исследовал другие соединения щёлочноземельных металлов, из которых можно было получить новые металлические элементы. Белая магнезия (оксид магния), известная с древних времён благодаря своим лечебным свойствам, стала его следующей целью.
Из экспериментов с натрием Дэви понял, что вода мешает электролизу, поэтому он подготовил едва увлажнённый оксид магния, смешанный с оксидом ртути для повышения проводимости. Используя мощную батарею из 600 пластин — самый передовой электрический аппарат своего времени, — 9 октября 1808 года Дэви пропустил ток через смесь, ровно через год и три дня после открытия натрия.
В отличие от эффектного немедленного успеха с натрием, магний оказался крайне трудноуловимым. В первых экспериментах Дэви образовывались лишь крошечные крупинки амальгамы (сплава ртути), которая, по-видимому, содержала новый металл, но для выделения чистого магния требовались методы, недоступные науке начала XIX века. Высокая реакционная способность металла и его сильное сродство к кислороду чрезвычайно затрудняли отделение от ртути.
Дэви представил предварительные результаты Королевскому обществу, объявив, что «получил убедительные доказательства существования нового металла», но признал свою неспособность выделить его в чистом виде. Это честное признание частичного успеха продемонстрировало строгие научные стандарты, благодаря которым работа Дэви пользовалась таким уважением по всей Европе, даже когда армии Наполеона сражались с британскими войсками.
Первое выделение чистого металлического магния произошло в 1831 году благодаря выдающейся работе французского химика Антуана Александра Брутуса Бюсси в Политехнической школе в Париже. Бюсси разработал остроумный метод химического восстановления: нагревал безводный хлорид магния с металлическим калием в платиновом тигле до красного каления: MgCl₂ + 2K → Mg + 2KCl.
Успех Бюсси потребовал преодолеть несколько технических трудностей. Ему нужно было получить совершенно безводный хлорид магния (любая вода испортила бы реакцию), чистый металлический калий (который всё ещё был дорогим и сложным в производстве) и провести реакцию в инертной атмосфере, чтобы предотвратить немедленное окисление продукта. Платиновое оборудование, хотя и дорогое, оказалось необходимым для выдерживания высокой температуры реакции.
Майкл Фарадей, бывший ассистент Дэви, ставший ведущим учёным Королевского института, внёс важный вклад в понимание свойств магния в 1830-х годах. Фарадей использовал недавно разработанные им законы электролиза, чтобы определить атомную массу магния и установить его положение среди щёлочноземельных металлов.
Систематические эксперименты Фарадея выявили замечательные свойства магния: его яркое белое пламя, способность гореть в углекислом газе (образуя углерод и оксид магния) и сильную восстановительную способность. Позднее эти характеристики оказались важными для применения магния в фотографии, пиротехнике и металлургии.
Промышленное производство магния оставалось непрактичным до 1886 года, когда немецкие химики Роберт Бунзен и Август Маттиссен разработали электролитические методы получения магния из расплавленных хлоридных солей. Их процесс, совершенствовавшийся на протяжении десятилетий, сделал возможным крупномасштабное производство и сделал магний доступным для промышленного применения.
Первая мировая война резко ускорила развитие производства магния: военная потребность в лёгких материалах и зажигательных устройствах стимулировала инновации. Британское и немецкое правительства значительно расширили производственные мощности, что привело к созданию первых деталей самолётов из магниевых сплавов и к разрушительной эффективности магниевых зажигательных бомб во время лондонского блица.
Возможно, самое значительное открытие о магнии было сделано в 1906 году, когда немецкий химик Рихард Вильштеттер доказал, что молекулы хлорофилла содержат магний в центре. Это открытие объяснило, почему у растений, лишённых магния, развивается хлороз (пожелтение), и установило фундаментальную роль магния в фотосинтезе — процессе, поддерживающем практически всю жизнь на Земле.
Работа Вильштеттера, за которую он получил Нобелевскую премию по химии 1915 года, показала, что идеальные размеры и заряд магния позволяют ему координироваться с порфириновым кольцом хлорофилла, сохраняя при этом достаточную лабильность для быстрых переносов электронов, необходимых при фотосинтезе. Это открытие связало космическую распространённость магния с фундаментальной химией жизни, показав, как звёздный нуклеосинтез создал элементы, необходимые для биологической сложности.
Применение
Магниевые сплавы произвели революцию в аэрокосмическом проектировании благодаря исключительному соотношению прочности и массы: они на 35% легче алюминия, сохраняя сопоставимую прочность. Сплав AZ91D (9% алюминия, 1% цинка) достигает предела прочности при растяжении 250 MPa при плотности всего 1.81 g/cm³, что делает его идеальным для корпусов авиационных двигателей, картеров трансмиссий и конструкционных компонентов.
В современных вертолётах широко используются магниевые сплавы для корпусов редукторов и втулок несущих винтов, поскольку снижение массы напрямую повышает грузоподъёмность и топливную эффективность. Вертолёт Sikorsky UH-60 Black Hawk содержит более 800 фунтов магниевых компонентов, главным образом в корпусе главного редуктора. Космическое применение включает конструкции спутников и компоненты ракетных двигателей, где каждый грамм имеет значение для орбитальных миссий.
Автопроизводители всё чаще применяют литьё магния под давлением для изготовления блоков двигателей, корпусов трансмиссий и каркасов сидений, чтобы соответствовать стандартам топливной эффективности. Двигатель N52 компании BMW оснащён картером из магниево-алюминиевого композита, который снижает массу двигателя на 10 kg по сравнению с чугунными аналогами и повышает экономичность на 3-5%.
Магниевые рулевые колёса лучше поглощают удары и снижают утомляемость водителя во время длительных поездок. Переход на электромобили ускоряет внедрение магния, поскольку более лёгкие автомобили имеют больший запас хода. В Model S компании Tesla магниевые компоненты используются в опорной конструкции приборной панели и каркасах сидений, способствуя впечатляющим показателям эффективности автомобиля.
В бытовой электронике используются экранирующие свойства магния и его способность рассеивать тепло. В корпусах ноутбуков применяются магниевые сплавы, обеспечивающие на 75% лучшую теплопроводность по сравнению с пластиковыми аналогами и одновременно превосходную защиту чувствительных компонентов от электромагнитных помех (EMI).
Профессиональные камеры, такие как серия Canon EOS-1D, имеют корпуса из магниевого сплава, обеспечивающие прочность и герметизацию от погодных воздействий. Превосходная обрабатываемость материала позволяет создавать сложные геометрические формы для креплений объективов и внутренних конструкционных компонентов. Производители смартфонов всё чаще используют магниевые сплавы для внутренних каркасов, обеспечивая конструкционную прочность и сводя к минимуму влияние массы на время работы батареи.
Яркое белое горение магния (3,100°C) делает его незаменимым для военных сигнальных ракет, аварийных сигнальных устройств и фотографического фотовспышечного состава. Морские сигнальные ракеты бедствия горят магниево-стронциевыми смесями, создающими интенсивный красный свет, видимый на расстоянии в несколько миль, тогда как сигнальные ракеты катапультируемых кресел самолётов используют чистый магний для максимальной силы освещения.
В термитной сварке магниевый порошок используется как источник воспламенения смесей оксида железа и алюминия, достигающих температур, достаточных для сварки железнодорожных рельсов. Экзотермическая реакция: 3Mg + Fe₂O₃ → 3MgO + 2Fe выделяет достаточно тепла для плавления стали, делая возможным ремонт в полевых условиях в удалённых местах.
Магний служит мощным восстановителем при производстве специальных металлов, включая титан, цирконий, гафний и уран. В процессе Пиджона оксид магния восстанавливают ферросилицием при температуре 1,200°C в вакууме, получая 80% мирового производства магния. Этот процесс требует точного контроля температуры и инертной атмосферы для предотвращения окисления.
Производство шаровидного графитного чугуна (высокопрочного чугуна) основано на добавлении магния, который превращает чешуйчатый графит в сферические включения и значительно улучшает механические свойства. Добавление 0.03-0.08% магния в расплав железа создаёт высокопрочный чугун с пределом прочности при растяжении более 700 MPa, используемый в автомобильных коленчатых валах, трубах и компонентах тяжёлого машиностроения.
Соединения магния играют важную роль в фармацевтическом производстве и медицинском лечении. Стеарат магния служит смазкой при производстве таблеток, предотвращая прилипание ингредиентов к оборудованию и обеспечивая стабильную массу таблеток и скорость растворения. Более 95% фармацевтических таблеток содержат стеарат магния.
Биоразлагаемые магниевые имплантаты представляют собой революционную медицинскую технологию для ортопедического применения. Эти имплантаты постепенно растворяются в жидкостях организма, устраняя необходимость хирургического удаления и одновременно способствуя заживлению костей. Биосовместимость магния и его механические свойства, сходные со свойствами человеческой кости, делают его идеальным материалом для временных фиксирующих устройств, стентов и хирургических винтов.
Откуда он берётся
23300 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 95% of elements
Магний занимает восьмое место среди наиболее распространённых элементов в земной коре: его массовая доля составляет 2.3%, а в морской воде он является третьим по распространённости — 1,290 частей на миллион. Такая распространённость отражает роль магния как основного компонента мантии Земли, где минералы оливин ((Mg,Fe)₂SiO₄) и пироксен преобладают в верхних 400 километрах недр нашей планеты.
Градиент концентрации от ядра Земли (практически без магния) через силикатную мантию (25% магния) к породам земной коры демонстрирует, как планетарная дифференциация сконцентрировала более лёгкие элементы во внешних слоях. Ионный радиус магния (0.72 Å) и заряд (+2) делают его идеально подходящим для октаэдрической координации в силикатных минералах.
Оливин, наиболее распространённый магнийсодержащий минерал, образуется при кристаллизации богатых магнием магм при высоких температурах (1,200-1,800°C). Крупные месторождения оливина в комплексе Åheim в Norway и Buck Creek в North Carolina служат источниками магния промышленного качества. Эти месторождения сформировались из ультрамафитовых интрузий, богатых составами первичной мантии.
Эвапоритовые месторождения представляют собой ещё один важный источник магния, особенно Zechstein Basin, расположенный под Northern Europe, и Permian Basin в Texas. Эти месторождения сформировались 250 миллионов лет назад, когда изолированные морские бассейны испарились, сконцентрировав хлорид и сульфат магния до уровней насыщения. Современная добыча из Dead Sea и Great Salt Lake продолжает этот естественный процесс концентрации.
Морская вода содержит 53 миллиона тонн магния на кубический километр; его содержание поддерживается сложными биогеохимическими циклами, включающими поступление с реками, гидротермальную циркуляцию и биологическое поглощение. Гидротермальные системы срединно-океанических хребтов непрерывно обмениваются магнием между морской водой и горячими базальтовыми породами, поддерживая концентрацию магния в океанах на протяжении геологического времени.
Морские организмы активно используют магний в процессах биоминерализации. Кораллиновые водоросли и фораминиферы включают магний в структуры карбоната кальция, создавая высокомагниевый кальцит, который сохраняет сведения о химическом составе древних океанов. Эти биологические процессы удаляют значительные количества магния из морской воды и одновременно формируют обширные известняковые отложения, обогащённые магнием.
Магний образуется в результате горения углерода в массивных звёздах (>8 солнечных масс), когда температура ядра превышает 600 миллионов K. Основной путь реакции включает слияние ядер углерода-12 с образованием неона-20, который затем захватывает альфа-частицы и образует магний-24 — наиболее распространённый изотоп магния (79% природного магния).
Сверхновые типа II взрывным образом синтезируют магний в процессах горения кислорода, при которых ядра кислорода-16 вступают в быстрые реакции слияния при температурах выше 1.5 миллиарда K. Эти звёздные взрывы рассеивают магний по галактикам, обогащая межзвёздную среду, из которой формируются последующие поколения звёзд и планет.
Молекулы хлорофилла содержат магний в центре, поэтому фотосинтез невозможен без этого элемента. Каждая молекула хлорофилла координирует один ион магния с четырьмя атомами азота в структуре порфиринового кольца, обеспечивая поглощение света на определённых длинах волн (430 nm и 662 nm для хлорофилла a).
Для нормальной физиологии человека требуется 400-420 mg магния в сутки для более чем 300 ферментативных реакций, включая синтез ATP, синтез белка и сокращение мышц. Дефицит магния затрагивает 10-30% населения мира, вызывая мышечные судороги, нерегулярное сердцебиение и повышая риск остеопороза. Самыми богатыми пищевыми источниками являются зелёные листовые овощи, орехи и цельнозерновые продукты.
В мировом производстве магния преобладает процесс Pidgeon, в котором доломит (CaMg(CO₃)₂) восстанавливают ферросилицием при температуре 1,200°C в вакууме: 2MgO + 2CaO + FeSi → 2Mg + Ca₂SiO₄ + Fe. Этот процесс, разработанный в Canada во время World War II, обеспечивает 80% мирового производства металлического магния, главным образом в China, на долю которой приходится 87% мирового производства.
Электролитическое извлечение из морской воды представляет собой альтернативный путь, особенно в районах с большим количеством дешёвой электроэнергии. Процесс Dow извлекает гидроксид магния из морской воды с помощью извести, а затем превращает его в хлорид магния для электролиза. Этот возобновляемый метод теоретически способен обеспечить неограниченное снабжение магнием, поскольку содержащегося в морской воде количества хватило бы более чем на 4 миллиарда лет при нынешних темпах потребления.
Обращение
Чрезвычайно высокая пожароопасность: Металлический магний горит интенсивным белым пламенем при 3,100°C, выделяя достаточно тепла для плавления стали. Пожары магния нельзя тушить водой (которая разлагается с образованием взрывоопасного водорода), углекислым газом или стандартными химическими огнетушителями. Используйте огнетушители класса D, содержащие хлорид натрия, графит или специальные порошки для тушения пожаров магния.
Опасность порошка: Мелкодисперсный магний представляет серьёзную опасность взрыва; минимальная энергия воспламенения составляет всего 40 миллиджоулей. Облака магниевой пыли могут взрываться при концентрации выше 0.02 oz/ft³. Поддерживайте влажность выше 65%, чтобы уменьшить накопление статического электричества, и обеспечьте надёжное заземление всего оборудования, работающего с магниевым порошком.
Лихорадка от металлических паров: Вдыхание паров оксида магния вызывает лихорадку от металлических паров с такими симптомами, как озноб, лихорадка, тошнота и затруднённое дыхание, которые появляются через 4-12 часов после воздействия. Хотя это состояние не вызывает необратимого вреда, симптомы могут сохраняться в течение 24-48 часов. Допустимый предел воздействия OSHA для паров оксида магния составляет 15 mg/m³.
Защита органов дыхания: Используйте респираторы с фильтрами P100, одобренные NIOSH, если возможно присутствие магниевой пыли или паров. Обеспечьте местную вытяжную вентиляцию, поддерживающую скорость захвата 100-200 feet per minute в местах образования пыли.
Незаменимый питательный элемент: Взрослым требуется 400-420 mg магния в день для нормального функционирования организма. Симптомы дефицита включают мышечные судороги, нерегулярное сердцебиение, изменения личности и повышенный риск остеопороза. Однако чрезмерный приём добавок (>5,000 mg в день) может вызвать диарею, тошноту и спазмы в животе.
Лекарственные взаимодействия: Добавки магния могут препятствовать всасыванию антибиотиков (тетрациклинов, хинолонов) и усиливать действие препаратов от повышенного артериального давления. Проконсультируйтесь с медицинскими специалистами перед приёмом добавок магния одновременно с рецептурными препаратами.
Средства индивидуальной защиты: Защитные очки с боковыми щитками, огнестойкая одежда, кожаные перчатки при работе с твёрдым магнием. Избегайте синтетических тканей, которые могут расплавиться и прилипнуть к коже при вспышечном пожаре.
Требования к хранению: Храните магний в прохладных сухих местах вдали от окислителей, кислот и источников воды. Для магниевого порошка используйте герметичные контейнеры с влагопоглотителями. Поддерживайте температуру хранения ниже 30°C, чтобы предотвратить самовозгорание мелкодисперсных порошков.
Контроль статического электричества: Заземляйте всё оборудование, используйте проводящие контейнеры, поддерживайте относительную влажность выше 65% и устраняйте источники воспламенения при работе с магниевым порошком или механической обработке магниевых сплавов.
Пожары магния: Немедленно эвакуируйте помещение, вызовите пожарную службу, указав «пожар металлического магния», и не пытайтесь тушить пожар, если вы не обучены работе с соответствующими огнетушащими веществами класса D. Дайте небольшим пожарам прогореть, защищая окружающие материалы тепловыми барьерами.
Попадание на кожу или в глаза: Осторожно удалите частицы магния, не растирая их (чтобы предотвратить внедрение фрагментов), промывайте большим количеством воды не менее 15 минут и обратитесь за медицинской помощью при любых ожогах или наличии внедрившихся частиц металла. Снимите контактные линзы, если их можно легко удалить.
Воздействие при вдыхании: Немедленно вынесите пострадавшего на свежий воздух, наблюдайте за возможным отсроченным появлением симптомов лихорадки от металлических паров, при наличии возможности обеспечьте дополнительную подачу кислорода и обратитесь за медицинской помощью при значительном воздействии. Симптомы могут появиться только через несколько часов.
Проглатывание: Не вызывайте рвоту. Прополощите рот водой, дайте небольшое количество воды, если пострадавший находится в сознании, и немедленно обратитесь за медицинской помощью. Большое количество металлического магния может вступить в реакцию с желудочной кислотой с образованием газа водорода.
Краткие ответы
Магний (symbol Mg) is element 12 on the periodic table, a щёлочноземельный металл in period 3, group 2. The metal at the centre of chlorophyll — and the one that burns with a light bright enough to blind a camera. At room temperature it is a solid.
[Ne] 3s², giving 3 occupied shells holding 2, 8, 2 electrons respectively.Магний melts at 923 K (649.9 °C) and boils at 1363 K (1089.9 °C).
The standard atomic weight of Магний is 24.305 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
Магний has a density of 1.738 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of магний is about 1.7× heavier.
Магний has a Pauling electronegativity of 1.31. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.
Магний was discovered in 1755 by Joseph Black. It is named after magnesia, a district of Thessaly.
Магний makes up about 2.33% of the Earth's crust — one of the most abundant elements there is.