Строение
Это не диаграмма 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 химических связей.
Измеренные значения
Каждый столбец показывает положение магний среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные веса IUPAC 2021 года · Справочник CRC по химии и физике · NIST. Значения, отмеченные символом ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Радиус 160 pm — это 0,16 нм, поэтому около 3,13 миллионов таких атомов, расположенных бок о бок, протянулись бы на миллиметр.
Тепловой диапазон
Магний находится в жидком состоянии в диапазоне 440 K — от 923 K до 1363 K.
История
Лёгкий, прочный металл. Необходим для хлорофилла и сотен ферментов.
Открытие магния в 1808 году стало непосредственным продолжением революционного успеха Humphry Davy с натрием и калием годом ранее. После электролитических триумфов, принёсших ему международное признание, Davy систематически исследовал другие щёлочноземельные соединения, которые могли дать новые металлические элементы. Magnesia alba (оксид магния), известная с древних времён своими лечебными свойствами, стала его следующей целью.
Из опытов с натрием Davy узнал, 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, — Davy пропустил ток через смесь 9 октября 1808 года, ровно через один год и три дня после открытия натрия.
В отличие от драматичного немедленного успеха с натрием, магний оказался крайне трудноуловимым. В первых опытах Davy образовывались лишь крошечные частицы амальгамы (сплава ртути), которая, по-видимому, содержала новый металл, однако выделение чистого магния требовало методов, недоступных химии начала XIX века. Высокая реакционная способность металла и его сильное сродство к кислороду чрезвычайно затрудняли отделение от ртути.
Davy представил предварительные результаты Королевскому обществу, заявив, 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 Davy пользовалась большим уважением по всей Европе, даже когда армии Napoleon сражались с британскими войсками.
Первое выделение чистого металлического магния произошло в 1831 году благодаря выдающейся работе французского химика Antoine Alexandre Brutus Bussy в École Polytechnique в Париже. Bussy разработал остроумный метод химического восстановления: нагревал безводный хлорид магния с металлическим калием в платиновом тигле при высокой температуре: MgCl₂ + 2K → Mg + 2KCl.
Для успеха Bussy пришлось преодолеть несколько технических трудностей. Он должен был приготовить абсолютно безводный хлорид магния (любая вода испортила бы реакцию), получить чистый металлический калий (всё ещё дорогой и сложный в производстве) и провести реакцию в инертной атмосфере, чтобы предотвратить немедленное окисление продукта. Платиновое оборудование, хотя и дорогостоящее, оказалось необходимым для выдерживания высоких температур реакции.
Michael Faraday, бывший ассистент Davy, ставший ведущим учёным Королевского института, внёс важный вклад в понимание свойств магния в 1830-х годах. Faraday использовал недавно разработанные им законы электролиза, чтобы определить атомную массу магния и установить его положение среди щёлочноземельных металлов.
Систематические эксперименты Faraday выявили замечательные свойства магния: его яркое белое пламя, способность гореть в углекислом газе (с образованием углерода и оксида магния) и сильную восстановительную способность. Эти характеристики позднее оказались решающими для применения магния в фотографии, пиротехнике и металлургии.
Коммерческое производство магния оставалось непрактичным до 1886 года, когда немецкие химики Robert Bunsen и Augustus Matthiessen разработали электролитические методы получения магния из расплавленных хлоридных солей. Их процесс, совершенствовавшийся в течение десятилетий, сделал возможным крупномасштабное производство и сделал магний доступным для промышленного применения.
Первая мировая война резко ускорила развитие магниевой промышленности: военная потребность в лёгких материалах и зажигательных устройствах стимулировала инновации. Британское и германское правительства активно инвестировали в производственные мощности, что привело к появлению первых деталей самолётов из магниевых сплавов и к разрушительной эффективности магниевых зажигательных бомб во время лондонского блица.
Возможно, самое значительное открытие о магнии произошло в 1906 году, когда немецкий химик Richard Willstätter доказал, что молекулы хлорофилла содержат магний в центре. Это открытие объяснило, почему у лишённых магния растений развивается хлороз (пожелтение), и установило фундаментальную роль магния в фотосинтезе — процессе, поддерживающем практически всю жизнь на Земле.
Работа Willstätter, 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 и показало, 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 применяются редукторы и втулки несущих винтов из магниевых сплавов: 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. В космической технике магний применяется в конструкциях спутников и компонентах ракетных двигателей, где для орбитальных миссий важен каждый грамм.
Автопроизводители всё чаще используют литьё магния под давлением для изготовления блоков двигателей, корпусов трансмиссий и рам 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 уменьшают утомляемость водителя во время длительных поездок. Переход к электромобилям 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 рамах сидений, повышая впечатляющие показатели эффективности автомобиля.
В бытовой электронике используются экранирующие свойства магния и его способность рассеивать тепло. В ноутбуках применяются корпуса из магниевых сплавов, обеспечивающие на 75% лучшую теплопроводность по сравнению с пластиковыми аналогами и превосходную защиту чувствительных компонентов от электромагнитных помех (EMI).
Профессиональные камеры, такие как серия Canon EOS-1D, имеют корпуса из магниевых сплавов, обеспечивающие прочность и герметизацию от воздействия погодных условий. Отличная обрабатываемость материала позволяет создавать сложные геометрические формы для креплений объективов и внутренних конструкционных компонентов. Производители смартфонов всё чаще используют магниевые сплавы для внутренних рам, обеспечивая конструкционную прочность и сводя к минимуму влияние массы на время работы аккумулятора.
Яркое белое горение магния (3,100°C) делает его незаменимым для военных сигнальных ракет, аварийных сигнальных устройств и фотографического пороха. Морские сигнальные ракеты бедствия горят магниево-стронциевыми смесями, создающими интенсивный красный свет, видимый на многие мили, а 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, благодаря чему становится 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 1,200°C в вакууме, получая 80% мирового производства магния. Этот процесс требует точного контроля температуры и инертной атмосферы для предотвращения окисления.
Производство чугуна с шаровидным графитом (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 расплавленный чугун создаёт высокопрочный чугун с пределом прочности при растяжении свыше 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 изготовлении 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 ортопедии. 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 для временных фиксирующих устройств, стентов и хирургических винтов.
Откуда он происходит
23300 мг/кг земной коры · более распространён, чем 95% элементов
Магний занимает восьмое место среди наиболее распространённых элементов земной коры: 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 показывает, 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, самый распространённый минерал, содержащий магний, образуется при кристаллизации богатых магнием магм при высоких температурах (1,200-1,800°C). Крупные месторождения оливина в комплексе Осхейм в Норвегии и Бак-Крик в Северной Каролине обеспечивают промышленные источники магния. Эти месторождения сформировались из ультраосновных интрузий, богатых первичным мантийным материалом.
Эвапоритовые месторождения представляют собой ещё один важный источник магния, особенно Цехштейнский бассейн под Северной Европой и Пермский бассейн в Техасе. Эти месторождения сформировались 250 миллионов лет назад, когда изолированные морские бассейны испарялись, концентрируя хлорид и сульфат магния до уровня насыщения. Современная добыча из Мёртвого моря и Большого Солёного озера продолжает этот природный процесс концентрации.
В одном кубическом километре морской воды содержится 53 миллиона тонн магния; его концентрация поддерживается сложными биогеохимическими циклами, включающими поступление с речной водой, гидротермальную циркуляцию и биологическое поглощение. Гидротермальные системы срединно-океанических хребтов постоянно обеспечивают обмен магнием между морской водой и горячими базальтовыми породами, поддерживая концентрацию магния в океане на протяжении геологического времени.
Морские организмы широко используют магний в процессах биоминерализации. Кораллиновые водоросли и фораминиферы включают магний в структуры карбоната кальция, создавая высокомагниевый кальцит, который сохраняет сведения о химическом составе древнего океана. Эти биологические процессы удаляют значительное количество магния из морской воды и одновременно создают 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 превращается в магний-24 — самый 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 синтеза при температурах, превышающих 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 день для более чем 300 ферментативных реакций, включая синтез ATP, синтез белка и сокращение мышц. Дефицит магния наблюдается у 10-30 % населения мира, вызывая мышечные судороги, нерегулярное сердцебиение и повышая риск остеопороза. Наиболее богатыми пищевыми источниками являются зелёные листовые овощи, орехи и цельные злаки.
В мировом производстве магния преобладает процесс Пиджена, в котором доломит (CaMg(CO₃)₂) восстанавливают ферросилицием при 1,200°C в вакууме: 2MgO + 2CaO + FeSi → 2Mg + Ca₂SiO₄ + Fe. Этот процесс, разработанный в Канаде во время Второй мировой войны, обеспечивает 80 % мирового производства металлического магния, главным образом в Китае, на долю которого приходится 87 % мирового производства.
Электролитическое извлечение из морской воды обеспечивает альтернативный способ, особенно в районах с доступной дешёвой электроэнергией. В процессе Доу из морской воды с помощью извести извлекают гидроксид магния, а затем превращают его в хлорид магния для электролиза. Этот возобновляемый подход теоретически может обеспечить неограниченные запасы магния, поскольку при нынешних темпах потребления морская вода содержит его запас более чем на 4 миллиарда лет.
Обращение
Крайне высокая пожароопасность: Металлический магний горит интенсивным белым светом при температуре 3,100°C, выделяя достаточно тепла для плавления стали. Пожары магния нельзя тушить водой (при разложении воды образуется взрывоопасный водород), углекислым газом или стандартными химическими огнетушителями. Используйте огнетушители класса D, содержащие хлорид натрия, графит или специализированные порошки для тушения пожаров магния.
Опасность порошка: Тонкодисперсный магний представляет серьёзную взрывоопасность; минимальная энергия воспламенения составляет всего 40 миллиджоулей. Облака магниевой пыли могут взрываться при концентрациях 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 вдыхания паров металлов: Вдыхание паров оксида магния вызывает лихорадку от паров металлов с такими симптомами, как озноб, повышение температуры, тошнота и затруднённое дыхание, появляющимися через 4-12 часов после воздействия. Хотя это состояние не вызывает постоянного 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, одобренные NIOSH, с фильтрами P100, если возможно присутствие магниевой пыли или паров. Обеспечьте местную вытяжную вентиляцию, поддерживающую скорость захвата 100-200 feet per minute в местах образования пыли.
Необходимый 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 работниками перед приёмом добавок магния вместе с рецептурными лекарственными средствами.
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 во время вспышечного пожара.
Требования к хранению: Храните магний в прохладных сухих помещениях вдали от окислителей, кислот и источников воды. Используйте герметичные контейнеры с влагопоглотителями для магниевого порошка. Поддерживайте температуру хранения ниже 30°C, чтобы предотвратить самовозгорание тонкодисперсных порошков.
Контроль статического электричества: Заземляйте всё оборудование, используйте электропроводящие 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 подходящими огнетушащими веществами класса D. Небольшим пожарам следует дать прогореть, защищая окружающие материалы тепловыми барьерами.
Контакт с кожей/глазами: Осторожно удалите частицы магния, не растирая их (чтобы предотвратить внедрение фрагментов), промывайте большим количеством воды в течение 15+ минут и обратитесь за медицинской помощью при любых ожогах или наличии внедрившихся металлических частиц. Снимите контактные линзы, если это легко сделать.
Воздействие при вдыхании: Немедленно выведите пострадавшего на свежий воздух, наблюдайте за возможным отсроченным появлением симптомов лихорадки от паров металлов, при наличии обеспечьте дополнительную подачу кислорода и обратитесь за медицинским обследованием при значительном воздействии. Симптомы могут появиться лишь 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. Большие количества металлического магния могут вступать в реакцию с желудочной кислотой с образованием газообразного водорода.
Краткие ответы
Магний (символ Mg) — элемент 12 в периодической таблице, представитель семейства Щёлочноземельный металл в 3 периоде, 2 группе. Металл в центре хлорофилла — и тот, что горит настолько ярким светом, что может ослепить камеру. При комнатной температуре это твёрдое вещество.
[Ne] 3s²; она включает 3 занятые электронные оболочки с распределением 2, 8, 2.Магний плавится при 923 K (649.9 °C) и кипит при 1363 K (1089.9 °C).
Стандартная атомная масса Магний составляет 24.305 u. Это средневзвешенное значение для его природных изотопов, поэтому оно редко бывает целым числом.
Плотность Магний составляет 1.738 г/см³. Плотность воды — 1,0 г/см³, поэтому блок из Магний примерно в 1.7× тяжелее.
Электроотрицательность Магний по шкале Полинга составляет 1.31. Шкала простирается от 0,70 (франций, наименее склонный притягивать электроны) до 3,98 (фтор, наиболее склонный). Значения в этом среднем диапазоне обычно соответствуют ковалентным, а не преимущественно ионным связям.
Магний был открыт в 1755 году Joseph Black. Назван в честь магнесия, область в Фессалии.
На долю Магний приходится около 2.33% земной коры — это один из самых распространённых элементов.