Магний: свойства, применение и биологическая роль¶

Магний — химический элемент периодической системы Д. И. Менделеева с атомным номером 12, расположенный во второй группе (устаревшее обозначение — IIA), третьем периоде. Обозначается символом Mg. Относится к щёлочноземельным металлам. Атомная масса — 24,305 а. е. м. При нормальных условиях представляет собой лёгкий серебристо-белый металл, тускнеющий на воздухе из-за образования оксидной плёнки. Название происходит от латинского Magnesium, восходящего к греческому топониму Магнесия — области в Фессалии, где добывали содержащие магний минералы.

¶Физические и химические свойства

Магний — один из самых лёгких конструкционных металлов: его плотность составляет около 1,74 г/см³, что примерно в 1,5 раза меньше плотности алюминия. Температура плавления — 650 °C, температура кипения — около 1090 °C. Металл пластичен, хорошо поддаётся обработке давлением, но имеет невысокую твёрдость и склонность к коррозии во влажной среде.

Химически магний довольно активен. На воздухе он покрывается тонкой прочной плёнкой оксида MgO, которая замедляет дальнейшее окисление. При нагревании горит ослепительно белым пламенем с образованием оксида и нитрида:

• 2Mg + O₂ → 2MgO;
• 3Mg + N₂ → Mg₃N₂.

Магний реагирует с водой при нагревании, вытесняя водород, а с большинством кислот — энергично, образуя соли. В соединениях проявляет степень окисления +2. Восстановительные свойства магния используются для получения других металлов из их оксидов (магнийтермия).

¶Распространённость в природе

Магний занимает восьмое место среди всех элементов по распространённости в земной коре (около 2 % по массе). В свободном виде в природе не встречается из-за высокой химической активности. Основные минералы: доломит CaMg(CO₃)₂, магнезит MgCO₃, карналлит KCl·MgCl₂·6H₂O, бишофит MgCl₂·6H₂O, оливин, тальк, серпентин. Значительные количества магния растворены в морской воде (примерно 0,13 %), что делает её практически неисчерпаемым источником. Магний входит в состав хлорофилла — пигмента, обеспечивающего фотосинтез у растений.

¶Получение

Промышленное получение магния ведётся двумя основными способами:

Термический метод (процесс Пиджона) позволяет получать металл высокой чистоты и широко применяется в Китае, который является крупнейшим производителем магния в мире.

¶Применение

¶Металлургия

Главный потребитель магния — металлургия. Его добавляют в алюминиевые сплавы для повышения прочности и коррозионной стойкости. Магниевые сплавы (с алюминием, цинком, марганцем) отличаются малой плотностью и высокой удельной прочностью, что ценно в авиа- и автомобилестроении, приборостроении. Магний также применяется для раскисления и десульфурации стали, а в виде добавок — для модифицирования чугуна (получение высокопрочного чугуна с шаровидным графитом).

¶Химия и металлургия цветных металлов

Магний используется как восстановитель при получении титана, циркония, урана, бериллия. Порошковый магний применяется в пиротехнике, в производстве фейерверков и осветительных составов (вспышки, осветительные ракеты), а также в качестве воспламенителя в термитных смесях.

¶Медицина и биология

Магний — жизненно важный макроэлемент. В организме взрослого человека содержится около 25 г магния, преимущественно в костях и мышцах. Он участвует в работе более 300 ферментов, включая АТФ-зависимые реакции, синтез белка и нуклеиновых кислот, передачу нервных импульсов, сокращение мышц, регуляцию уровня глюкозы и артериального давления. Суточная потребность — примерно 300–400 мг. Недостаток магния проявляется мышечными судорогами, утомляемостью, нарушениями сердечного ритма. В медицине применяются препараты магния (сульфат магния, магния цитрат, магния оксид) при гипомагниемии, как слабительное, спазмолитик, антиаритмическое средство. Сульфат магния (магнезия) используется при гипертонических кризах и эклампсии.

¶Прочие области

Оксид магния (жжёная магнезия) применяется в огнеупорных материалах, в производстве цементов, как наполнитель в резинах и пластмассах. Гидроксид магния — компонент антацидных препаратов и антипиренов. Соединения магния используются в стекольной и керамической промышленности.

¶Биологическая роль

В растительных организмах магний — центральный атом молекулы хлорофилла, без которого невозможен фотосинтез. У животных и человека магний участвует в энергетическом обмене: все реакции с участием АТФ протекают с участием ионов Mg²⁺. Он необходим для стабильности рибосом, синтеза ДНК и РНК, поддержания структуры костной ткани. Магний регулирует проницаемость клеточных мембран, влияет на работу ионных каналов (в том числе кальциевых), модулирует активность нейромедиаторов. Дисбаланс магния связан с развитием сердечно-сосудистых, эндокринных и неврологических заболеваний.

¶Мировое производство и экономика

Крупнейшими производителями магния являются Китай, обеспечивающий значительную долю мирового выпуска, а также Россия, Израиль, Казахстан. Мировой объём производства составляет сотни тысяч тонн в год. Цены на магний подвержены колебаниям из-за концентрации производства и энергоёмкости процесса. В 2021 году резкий рост цен на магний в Китае вызвал обеспокоенность в отраслях, зависящих от поставок (автомобилестроение, алюминиевая промышленность), что стимулировало обсуждение диверсификации источников сырья в Европе и США.

¶История открытия

В 1695 году английский врач Нейhemiah Grew получил из минеральной воды Эпсома горькую соль, названную английской солью (сульфат магния). В 1755 году Джозеф Блэк доказал, что эта соль содержит новый металл, отличный от кальция. В 1808 году Хэмфри Дэви выделил металлический магний электролизом смеси оксида магния и оксида ртути. Промышленное производство началось в XIX веке, а широкое применение магниевых сплавов — в XX веке, особенно в авиации и военной технике.

¶Безопасность

Порошок и стружка магния пожароопасны: мелкодисперсный магний воспламеняется на воздухе, а тушение водой приводит к выделению водорода и усилению горения. Для тушения применяют специальные порошковые составы или сухой песок. Пары магния и его оксидный дым при вдыхании могут вызывать поражение дыхательных путей (литейная лихорадка). При работе с расплавленным магнием требуется защита от влаги.