XXXX городская  научно-творческая конференция

Секция «Неорганическая химия»

Удивительные свойства магния

Выполнил: Харитонов Андрей,

8 «Г» класс МОУ Гимназия№1

Руководитель:

учитель химии Щербатых Н.В.

Самара  2011

Содержание

1. Введение        3

2. Теоретическая часть        4

2.1. История открытия магния        4

2.2. Физические свойства магния        6

2.3. Химические свойства магния        6

2.4. Применение магния        7

2.5. Занимательные факты о магнии        10

3. Практическая часть        12

3.1. Горение магния в воде        12

3.2. Горение магния в оксиде кремния (IV)        12

3.3. Горение магния в углекислом газе………………………………………12

3.4. Взаимодействие магния с нитратом серебра        12

3.5. Горение магния в кислороде        13

Заключение        14

Список литературы        15

Введение

«Наука начинается с удивления», - сказал Аристотель. Он оказался прав. Когда я услышал, что при пожаре  пиротехнических заводов в Англии их   нельзя было  тушить ни водой, ни песком, ни углекислым газом мне захотелось разобраться в этом вопросе. Так я  узнал об удивительном химическом веществе магнии. И хотел бы, чтобы и Вы с ним познакомились.

 Объектом нашего исследования является магний.

Цель работы: рассмотреть историю открытия магния, его физические и химические свойства, его применение . В условиях школьной химической лаборатории проделать ряд занимательных опытов, характеризующих свойства магния и снять учебный видеоролик, посвященный магнию.

2. Теоретическая часть

2.1. История открытия магния

           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. Во время засухи в Англии летом 1618 г. Генри Уикер обнаружил на пастбище в Эпсоме небольшую ямку, заполненную водой, которую животные отказывались пить. Позднее обнаружилось, что при наружном и внутреннем употреблении эта вода проявляет целебные свойства. С середины XVII века Эпсом приобретает известность как курорт с источником минеральной воды. Вскоре натуральной соли из этого источника стало не хватать, что привело кусиленным поискам ее искуственного заменителя. Каспар Неуманн (1683–1757) заявил, что приготовил искусственную эпсомскую соль посредством добавления H2SO4 к водному раствору морской соли, привозимой из Испании и Португалии. Он отличил эпсомскую соль (MgSO4) от “мирабилитовой соли Глаубера” (Na2SO4) и указал, что “земля горькойслабительной соли называется magnesia alba (белая магнезия)”, по названию местности в горном районе Греции, где впервые было обнаружено это соединение. Магнезию долго не могли отличить от извести; лишь в XVIII в. Немецкий врач-терапевт Фридрих Гоффман (1660–1742) установил, что эти соединения различны.

Первые попытки выделить металлическую основу магнезии в чистом виде были предприняты в начале XIX в. знаменитым английским физиком и химиком Гемфри Дэви (1778–1829), после того, как он подверг электролизу едкий кали и едкий натр и получил металлический Na и K. Он решил попытаться аналогичным образом осуществить разложение оксидов щелочноземельных металлов и магнезии. В своих первоначальных опытах Дэви пропускал ток через влажные оксиды, предохраняя их от соприкосновения с воздухом слоем нефти; однако при этом металлы сплавлялись с катодом и их не удавалось отделить.

Дэви пробовал применять множество различных методов, но все они по разным причинам оказывались малоуспешными. Наконец, его постигла удача – он смешал влажную магнезию с оксидом ртути, поместил массу на пластинку из платины и пропустил через нее ток; амальгаму перенес в стеклянную трубку, нагрел, чтобы удалить ртуть, и получил новый металл. Тем же способом Дэви удалось получить барий, калий и стронций. Выделив металлическую основу, Дэви назвал новый металл magnium, так как считал, что слово magnesium легко спутать с manganese, то есть с марганцем. Тем не менее название magnesium вошло в употребление во многих языках, так что новый металл лишь короткое время был известен под названием, которое дал

ему Дэви. Правда, русское название этого металла звучит очень сходно с первоначальным.

В компактной форме и в ощутимых количествах магний был впервые получен в 1828 г. Антуаном Александром Брутом Бусси (1794–1882) путем нагревания смеси безводного MgCl2 c калием в стеклянной трубке. В результате реакции калий соединился с хлором, вытесняя магний с образованием KCl и Mg. С этих опытов начался первый этап металлургии магния, который был полностью основан на химических методах. По технологии, сходной с методом Брута Бусси, во Франции, Англии и Соединенных Штатах работали небольшие заводы, производившие металлический магний. Такое производство существовало до конца прошлого века, пока не был создан электролитический способ получения магния. Конкурировать с ним химический способ не смог, поскольку использовал дорогостоящие восстановители – металлический натрий и калий, кроме того, при химическом способе не удавалось создать периодический технологический процесс.

В 1830 г. Майкл Фарадей получил несколько граммов металлического магния путем пропускания электрического тока через расплав MgCl2. В 1852 г. этот метод был детально исследован и усовершенствован Робертом Бузеном (1811–1897), который также осуществил первое массовое производство магния. С помощью его электролизера, состоящего из фарфорового тигля и двух угольных электродов пилообразной формы, погружаемых сверху в расплав обезвоженного MgCl2 , ему удавалось всего за несколько секунд получать “королек” магния весом в несколько грамм. Пилообразная форма электродов была необходима для удержания капелек магния во избежание их подъема на поверхность и самовоспламенения. При этом принципиальное значение для повышения производительности играла полная обезвоженность MgCl2.

Технология электролитического получения магния за время своего применения подверглась значительным усовершенствованиям, однако ее принципы, естественно, остались без кардинальных изменений.

2.2. 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 температуре 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. В разбавленных кислотах магний растворяется уже на холоде. Во фтористо-водородной 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 магниевую ленту, то она быстро сгорает с ослепительной вспышкой, развивая высокую температуру. Температура кипения магния 1107 оС, плотность = 1,74 г/см3, радиус атома 1,60 НМ.

2.3. Химические свойства магния

 Магний - активный металл. Если разрушить оксидную пленку на его поверхности, он легко окисляется кислородом воздуха. При нагревании магний энергично взаимодействует с галогенами, серой, азотом, фосфором, углеродом, кремнием и другими элементами:

2 Мg + O2 = 2 МgО (оксид магния);

Мg + Сl2 = МgСl2 (хлорид магния);

3 Mg + N2 = Мg3N2 (нитрид магния);

3 Мg + 2 Р= Мg3Р2 (фосфид магния);

2 Мg + Si = Мg2Si (силицид магния).

Магний не растворяется в воде, однако, при нагревании довольно активно взаимодействует с парами воды:

Мg + Н2О = Мg(ОH)2 + Н2.

Магний легко отнимает кислород и галогены у многих металлов, поэтому его используют для получения редких металлов из их соединений:

3Мg + МоО3 = 3 МgО + Мо;

2Мg + ZrСl4 = 2 МgСl2 + Zr.

Он горит в атмосфере углекислого газа:

Мg + СО2 = МgО+ СО   или       2 Мg + СО2 = 2 МgО + С

и хорошо растворяется в кислотах:

Мg + Н2SO4 = МgSО4 + Н2;

4 Мg + 10 НNО3 = 4 Мg(NО3)2 + N2O + 5 Н2О.

2.4. Применение магния

Для каких целей используют элемент №12 и его соединения? Магний чрезвычайно легок, и это свойство могло бы сделать его прекрасным конструкционным материалом, но, увы – чистый магний мягок и непрочен. Поэтому конструкторы используют магний в виде сплавов его с другими металлами. Особенно широко применяются сплавы магния с алюминием, цинком и марганцем. Каждый из компонентов вносит свой «пай» в общие свойства: алюминий и цинк увеличивают прочность сплава, марганец повышает его антикоррозионную стойкость. Ну, а магний? Магний придает сплаву легкость – детали из магниевого сплава на 20...30% легче алюминиевых и на 50...75% – чугунных и стальных. Есть немало элементов, которые улучшают магниевые сплавы, повышают их жаростойкость и пластичность, делают устойчивее к окислению. Это литий, бериллий, кальций, церий, кадмий, титан и другие.

Но есть, к сожалению, и «враги» – железо, кремний, никель; они ухудшают механические свойства сплавов, уменьшают их сопротивляемость коррозии. Магниевые сплавы находят широкое применение. Авиация и реактивная техника, ядерные реакторы, детали моторов, баки для бензина и масла, приборы, корпуса вагонов, автобусов, легковых автомобилей, колеса, масляные насосы, отбойные молотки, пневмобуры, фото и киноаппараты, бинокли – вот далеко не полный перечень областей применения магниевых сплавов.  Немалую роль играет магний в металлургии. Он применяется как восстановитель в производстве некоторых ценных металлов – ванадия, хрома, титана, циркония. Магний, введенный в расплавленный чугун, модифицирует его, т.е. улучшает его структуру и повышает механические свойства. Отливки из модифицированного чугуна с успехом заменяют стальные поковки. Кроме того, металлурги используют магний для  раскисления стали и сплавов.

               Свойство магния (в виде порошка, проволоки или ленты) – гореть белым ослепительным пламенем – широко используется в военной технике для изготовления осветительных и сигнальных ракет, трассирующих пуль и снарядов, зажигательных бомб. Так, например, алюминиевомагниевый сплав электрон, который применяли во время второй мировой войны для изготовления корпусов зажигательных авиабомб, содержал не менее 90% магния. Сигнальные составы обязательно содержат магний. Примеры двух нитратных составов зеленого огня:

1. Нитрат бария -40%, магний-28%, гексахлорбензол -30%, льняное масло -20%

2. Нитрат бария -59%, магний-19%, поливинилхлорид -22%

 Хорошо знакомы с магнием фотографы: «Спокойно! Снимаю!» – и яркая вспышка магния на мгновение ослепляет вас. Впрочем, в этой роли магний выступает все реже – электрическая лампа «блиц» вытеснила его практически повсеместно.

          И еще в одной грандиозной работе – аккумуляции солнечной энергии – участвует магний. Он входит в состав хлорофилла, который поглощает солнечную энергию и с ее помощью превращает углекислый газ и воду в сложные органические вещества (сахар, крахмал и др.), необходимые для питания человека и животных. Без хлорофилла не было бы жизни, а без магния не было бы хлорофилла – в нем содержится 2% этого элемента. Много ли это? Судите сами: общее количество магния в хлорофилле всех растений Земли составляет около 100 млрд т! Элемент №12 входит и в состав практически всех живых организмов. Если вы весите 60 кг, то приблизительно 25 г из них приходится на магний.

Услугами магния широко пользуется медицина: всем хорошо знакома «английская соль» MgSO4 · 7H2O. При приеме внутрь она служит надежным и быстродействующим слабительным, а при внутримышечных или внутривенных вливаниях снимает судорожное состояние, уменьшает спазмы сосудов. Чистая окись магния (жженая магнезия) применяется при повышенной кислотности желудочного сока, изжоге, отравлении кислотами. Перекись магния служит дезинфицирующим средством при желудочных расстройствах.

            Но медициной не ограничиваются области применения соединений магния. Так, окись магния используют в производстве цементов, огнеупорного кирпича, в резиновой промышленности. Перекись магния («новозон») применяют для отбелки тканей. Сернокислый магний используют в текстильной и бумажной промышленности как протраву при крашении, водный раствор хлорида магния – для приготовления магнезиального цемента, ксилолита и других синтетических материалов. Карбонат магния MgCO3 находит применение в производстве теплоизоляционных материалов.

И, наконец, еще одно обширное поле деятельности магния – органическая химия. Магниевый порошок используют для обезвоживания таких важных органических веществ, как спирт и анилин. Магнийорганические соединения широко применяют при синтезе многих органических веществ.Химическая активность магния навела конструкторов гидросооружений на интересную мысль: погрузив магниевый лист в воду и соединив его проводником с подводной металлической конструкцией, можно создать своеобразный гальванический элемент огромных размеров, в котором вода служит электролитом. Магниевый лист, выполняющий функции активного электрода, постепенно разрушается, но зато надежно сохраняет металл основной конструкции. Такой магниевой защитой снабжены стальные и железобетонные эстакады, являющиеся фундаментом Нефтяных Камней - поселка промысловиков в Каспийском море. Под водой для магния нашлась и другая работа: из сплавов этого металла в Англии изготовлен глубоководный скафандр, способный выдержать большие гидростатические давления. Недалеко то время, когда в таком легком и прочном одеянии геологи, буровики, монтажники будут вести на морском дне работы, связанные с добычей полезных ископаемых. Итак, деятельность магния в природе и народном хозяйстве весьма многогранна.Но вряд ли правы те, кто думает: «все, что мог, он уже совершил». Есть все основания считать, что лучшая роль магния – впереди.

2.5. Занимательные факты о магнии

Сырье на мостовой

При желании магний можно добывать даже из... простого булыжника: ведь в каждом килограмме камня, используемого для мощения дорог, содержится примерно 20 г магния. В таком процессе, правда, пока нет необходимости - магний из дорожного камня был бы слишком дорогим удовольствием.

Магний, секунда и эра

Сколько содержится магния в океане? Представим себе, что с первых дней нашей эры люди начали равномерно и интенсивно добывать магний из морской воды и, к сегодняшнему, дню исчерпали все водные запасы этого элемента. Как вы думаете, какова должна быть «интенсивность» добычи? Оказывается, каждую секунду в течение почти 2000 лет надо было бы добывать по... миллиону тонн! А ведь даже во время второй мировой войны, когда производство этого металла было максимальным, из морской воды получали ежегодно (!) всего лишь по 80 тыс. т. магния.

Вкусные лекарства

Статистика утверждает, что у жителей районов с более теплым климатом спазмы кровеносных сосудов случаются реже, чем у северян. Медицина объясняет это особенностями питания тех и других. Ведь известно, что внутривенные и внутримышечные вливания растворов некоторых солей магния снимают спазмы и судороги. Накопить в организме необходимый запас этих солей помогают фрукты и овощи. Особенно богаты магнием абрикосы, персики и цветная капуста. Есть он и в обычной капусте, картофеле, помидорах.

Магний и... инфаркт

Опыты, проведенные венгерскими учеными на животных, показали, что недостаток магния в организме повышает предрасположенность к инфарктам. Одним собакам давали пищу, богатую солями этого элемента, другим - бедную. К концу эксперимента те собаки, в рационе которых было мало магния, «заработали» инфаркт миокарда.

Берегите магний!

           Французские биологи считают, что магний поможет медикам в борьбе с таким серьезным недугом XX в., как переутомление. 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 нарушения работы сердечных мышц наблюдаются значительно чаще.

3. Практическая  часть

3.1. Горение магния в воде

 В 1808 г английский химик Гемфри Дэви первым получил металлический магний. В то время о свойствах этого металла не было известно ничего. Когда кусочки полученного магния случайно загорелись Дэви стал тушить их водой. Последовала вспышка, опалившая ему лицо.

Попробуем повторить опыт Дэви, но обезопасим себя, надев очки и защитный халат.

Зажжем в металлической ложечке немного порошка магния и быстро опустим ложечку с горящим магнием в воду. Как только горящий магний коснется воды, она забурлит. Водород, выбрасываемый водой, может вспыхнуть и гореть над ее поверхностью. Магний в воде горит ярким пламенем, а вода вокруг него мутнеет.

Горящий магний разлагает воду, превращаясь в гидроксид магния, выделяющийся водород воспламеняется.

Mg + 2 H2O = Mg(OH)2 + H2

3.2. Горение магния в оксиде кремния (IV)

Горящий магний нельзя потушить ни водой, ни песком. Ведь песок, так же как и вода, будет взаимодействовать с горящим магнием с образованием оксида магния и аморфного кремния.

В пробирку насыпем смесь оксида кремния (IV) и магния. Пробирку закрепим в лапке штатива. Нагреем содержимое пробирки. Через некоторое время будем наблюдать появление огня в пробирке и изменение цвета смеси.

SiO2 + 2 Mg = Si + 2MgO

 3.3. Горение магния в углекислом газе

Когда при случайном возгорании магниевой ленты этого металла  ее пытаются затушить «углекислотным огнетушителем, то ничего хорошего из этого не получается. Удивительно, но этот металл продолжает пылать и в углекислом газе, который, как известно, не поддерживает горение.

Посмотрим как это происходит. Стеклянную колбу наполним оксидом углерода (IV). Для этого   в колбу насыпем  карбонат кальция ,нальем соляной кислоты и закроем пробкой с газоотводной трубкой, конец которой опустим в пустую колбу.

CaCO3 + 2 HCl = CaCl2 + CO2 + H2O

 Затем порошок магния поместим в железную ложечку и нагреем в пламени спиртовки. Как только магний загорается, помещаем его в колбу с углекислым газом. И что же? Магний продолжает гореть.

2 Mg + CO2 = 2 MgO + C

3.4. Взаимодействие магния с нитратом серебра

Насыпали на огнеупорную поверхность смесь мелко растертого нитрата серебра и магниевой стружки (или порошка). Общая масса веществ - порядка 0.5 гр. Сверху на горку смеси капнули одну капельку теплой воды. Практически сразу произошла ослепительная вспышка. На замедленной съемке опыта видно, что в первый момент реакции происходит выделение черного металлического серебра, затем бурого дыма NO2, дальше следует яркая вспышка. После реакции остается смесь черных частичек серебра и белых окиси магния. Реакцию можно условно выразить уравнением:

3Mg + AgNO3 = 3MgO + 0.5N2 + Ag

3.5. Взаимодействие магния с кислородом

Как и любой металл магний реагирует с кислородом. Получим кислород разложением перманганата калия. В пробирку насыпаем кристаллический перманганат калия. Закрепляем в лапке штатива. Закроем пробирку пробкой с газоотводной трубкой. Конец которой опустим в чистую пробирку. При нагревании перманганат калия начинает разлагаться, выделяющийся кислород поступает по газоотводной трубке в колбу. Кислород тяжелее воздуха, поэтому не покидает колбу и постепенно заполняет ее.

2 KMnO4 = K2MnO4 + MnO2  + O2 ↑

Закрываем пробирку с кислородом пробкой.

Подожжем порошок магния на пламени спиртовки.

В воздухе металл горит. В атмосфере кислорода магний вспыхивает ослепительным белым пламенем. При горении магния выделяются ультрафиолетовые лучи.

Продукт горения магния – белый порошкообразный оксид.

2Mg + O2= 2MgO

При горении магния выделяется большое количество теплоты, поэтому магний может сам себя разогреть до высоких температур. Для этого необходимо только достаточное количество металла.

Заключение

В результате проделанной работы я познакомился с физическими и химическими  свойствами магния. Узнал много интересного из истории его открытия и применения. Познакомился с правилами техники безопасности при работе с химическими веществами. В условиях школьной химической лаборатории проделал многочисленные опыты с магнием. Снял фильм об удивительных свойствах магния и сделал учебный видеоролик в программе “Vegas Pro”.

Список литературы

1. Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия 2005г.
2. Химическая энциклопедия в пяти томах: т.4  -М.:Советская энциклопедия, 1988
3. Б.Д.Степин Л.Ю. Аликберова Книга по химии для домашнего чтения. М.: Химия,   1995

4. Гроссе Э., Вайсмантель X.Химия для любознательных. Основы химии и занимательные опыты.2-е русское изд. - Л.: Химия, 1985. -- Лейпциг, 1974.
   Перевод с немецкого Л. Н. Исаевой под ред. Р. Б. Добротина (гл. 1-3) и А. Б. Томчина (гл. 4-8)
   © Urania-Verlag Leipzig-Jena-Berlin. Verlag fur popularwissenchaftliche Literatur. Leipzig, 1968
   © Перевод на русский язык, Издательство "Химия", 1978
   OCR and Spellcheck Афанасьев Владимир

5. http://allforchildren.ru/Сергей Венецкий  .РАССКАЗЫ О МЕТАЛЛАХ . Магний: борец с усталостью