В среднем человеческий организм содержит около 25 г магния главным образом в костях и скелетной мускулатуре. Выведение магния из организма усиливается при стрессе, некоторых расстройствах здоровья и типах медикаментозного лечения, а также при высоких физических нагрузках. Меню, богатое рафинированными продуктами, не всегда дает человеку нужного количества магния. Дефицит нетрудно компенсировать биодобавками. Магний выпускается в виде соединений - оксида, сульфата, аспартата, карбоната, цитрата, глюконата.
Полезные свойства магния для организма
Необходим для сжигания в клетках органических веществ с выделением энергии, для нервного проведения, расслабления мышц, формирования костей и зубов. В сочетании с кальцием и калием он управляет сердечным ритмом и участвует в образовании инсулина.
Профилактика
Недавние исследования наводят на мысль о гипотензивном (снижающем артериальное давление) и антикоагулянтном (от тромбоза) действии магния, которое в сочетании со способностью этого элемента предупреждать спазмы артерий и опасные сердечные аритмии особенно полезно выздоравливающим после инфаркта миокарда.
Его адекватное поступление в организм важно для профилактики инсулинонезависимого диабета. Американские исследователи в течение 6 лет следили за уровнем магния более чем у 12 тыс. предрасположенных к диабету людей. Как выяснилось, когда этого элемента у них недостаточно, собственно болезнь развивается на 94% чаще, чем когда его много.
Основная польза магния
Магний применяют в виде металлических пластин при защите от коррозии морских судов и трубопроводов. Защитное действие магниевого «протектора» связано с тем, что из стальной конструкции и магниевого протектора (магний стоит в электрохимическом ряду напряжений левее, чем железо) создаётся электрическая цепь. Происходит разрушение магниевого протектора; основная же стальная часть конструкции при этом сохраняется. В металлургии магний используют как «раскислитель» - вещество, связывающее вредные примеси в расплаве железа. Добавка 0,5% магния в чугун сильно повышает ковкость чугуна и его сопротивление на разрыв. Используют магний и при изготовлении некоторых гальванических элементов.
Сплавы магния играют в технике очень важную роль. Существует целое семейство магниевых сплавов с общим названием «электрон». Основу их составляет магний в сочетании с алюминием (10%), цинком (до 5%), марганцем (1-2%). Малые добавки других металлов придают «электрону» различные ценные свойства. Но главным свойством всех видов «электронов» является их лёгкость (1,8 г/см 3) и прекрасные механические свойства. Их используют в тех отраслях техники, где особенно высоко ценится лёгкость: в самолёто- и ракетостроении. В последние годы созданы новые устойчивые на воздухе магниево-литиевые сплавы с совсем малой плотностью (1,35 г/см 3). Их использование в технике очень перспективно. Магниевые сплавы цены не только из-за своей лёгкости. Их теплоёмкость в 2-2,5 раза выше, чем у стали. Аппаратура из магниевых сплавов нагревается меньше стальной. Используют и сплав алюминия с большим содержанием магния (5-30%). Этот сплав «магналит» твёрже и прочнее алюминия, легче обрабатывается и полируется. Число металлов, с которыми магний образует сплавы, велико. Из диаграммы, иллюстрирующей правило Юм-Розери, ясна удивительная особенность магния не смешиваться в расплаве со своим близким по положению в таблице Менделеева соседом - бериллием. Из-за сильного различия межатомных расстояний не образует магний сплавов и с железом.
Среди кислородных соединений Mg нужно отметить оксид магния MgO, называемый также жжёной магнезией. Он применяется в изготовлении огнеупорных кирпичей, т.к. температура его плавления 2800 о С. Жжёная магнезия используется и в медицинской практике.
Интересны силикаты магния - тальк 3MgO*4SiO 2 *H 2 O и асбест CaO*MgO*4SiO 2 , обладающие высокой огнестойкостью. Асбест имеет волокнистое строение, поэтому его можно прясть и изготавливать из него спецодежду для работы при высоких температурах. Карбонаты и силикаты магния в воде нерастворимы.
Интерес к магнию и сплавам на его основе обусловлен, с одной стороны, сочетанием важных для практического использования свойств, а с другой стороны, большими сырьевыми ресурсами магния. Велика сфера использования магния и магниевых сплавов со специальными химическими свойствами, например в источниках тока и для протекторов при защите стальных сооружений от коррозии.
В СНГ, как и за рубежом, имеются большие запасы минерального сырья магния, удобные для его извлечения. Это месторождения твёрдых солей, содержащих магний, а также рассолы ряда соляных озёр. Кроме того, магний может извлекаться из морской воды. Таким образом для магния не стоит проблема истощения сырьевых ресурсов, которая приобретает всё большее значение для многих других, промышленно важных металлов. Хотя магний является одним из основных промышленных металлов, но объём его производства продолжает заметно уступать объёму производства алюминия и стали.
Определённую ориентировку в потребностях промышленности в магнии даёт рассмотрение его производства и потребления в развитых капиталистических и развивающихся странах. После второй мировой войны и вплоть до начала 70-х годов XX столетия в них наблюдался непрерывный рост производства и потребления магния, затем произошла его стабилизация. Крупнейшим производителем магния в капиталистических странах являются США, доля которых в общем производстве несколько больше 50%.
Конструкционные магниевые сплавы - это лишь одна, причём не самая большая по объёму область применения магния. Магний широко используется как химический реагент во многих металлургических процессах. В частности, он применяется в чёрной металлургии для обработки чугуна с целью десульфурации. В общем в последние годы имеется тенденция к расширению применения магния в качестве химического реагента. Значительное количество магния используется для получения титана, и надо искать пути повышения эффективности применения его в этих целях. Проявляется также значительный интерес к магнию и сплавам на его основе как аккумуляторам водорода.
Имеется определённая предубеждённость против магниевых сплавов со стороны потребителей в отношении их пожароопасности, низкой коррозионной стойкости, повышенной чувствительности к концентраторам напряжений. Эту предубеждённость следует преодолевать. В то же время следует продолжить работы, направленные на улучшение служебных характеристик магниевых сплавов, в частности на повышение их коррозийной стойкости.
Основные тенденции в развитии потребления магния в мире.
В последние годы за рубежом положение магния как одного из масштабных промышленных металлов упрочнилось: в 1980 году впервые в мирное время был превзойдён максимальный уровень производства магния военного 1943 года. Несмотря на отдельные спады, обусловленные общей неблагоприятной коньюктурой, потребление магния оставалось стабильным, хотя цены на него и выросли в 1,9 раза.
Самым крупным производителем и потребителем первичного магния за рубежом остаются США, но их доля в мировом потреблении за 1975-85гг сократилось с 51,7% до 41,5%. Норвегия и США - крупнейшие экспортёры магния: по 36-45 тыс. тонн в год. США являются также крупнейшим производителем магния из вторичного сырья.
Второе место по объёма потребления магния занимает Западная Европа (30%). Потребление магния в Японии оценивается на уровне 20-25 тыс. тонн в год, из которых 69% расходуется в производстве алюминиевых сплавов и высокопрочного чугуна, на отливки из магниевых сплавов - 4,9%.
Магний за рубежом используется во многих отраслях промышленности. Всё разнообразие направлений использования можно условно разделить на 3 группы:
Применение магния в производстве алюминиевых сплавов, в которых добавляют от 0,5% до 10% магния. Алюминиевые сплавы, содержащие магний, отличаются высокой удельной прочностью, коррозийной стойкостью и хорошо обрабатываются резанием.
Приготовление сплавов конструкционного назначения на основе магния. Содержание магния в таких сплавах 90-98%. Деформируемые магниевые сплавы и литые заготовки из них находят применение в ряде отраслей промышленности, прежде всего в аэрокосмической промышленности, далее идут военная и автомобильная.
Использование магния в качестве химического реагента в чёрной и цветной металлургии для восстановления Be, Ti, U, Zr, Hf и др.металлов, в химии (в основном в реакции Гриньяра), также в качестве расходуемых анодов для катодной защиты от коррозии стальных конструкций, подземных трубопроводов и резервуаров. Магний в этих процессах полностью расходуется. Лом и отходы не образуются, в отличии от первых двух групп, где он может повторно использоваться в виде вторичных сплавов.
В условиях дефицита магния также актуальной является задача более рационального использования имеющихся ресурсов металла, сокращение потерь его на всех этапах переработки и использования. Например, более эффективно может быть использован вторичный магниевый сплав типа МА9С6 для легирования алюминиевых сплавов взамен первичного металла. Предпочтительнее выглядит и прямое использование отходов из магниевых сплавов в виде брикетов стружки взамен чушкового металла, например, для десульфурации или модифицирования чугуна, производстве модификаторов типа железо-кремний-магний.
Использование магния в аппаратах космической и авиационной техники, автомобилестроении, различных агрегатах и ответственных приборах предъявляя особые требования к технологии производства литья из магниевых сплавов. Потребность народного хозяйства в магнии и магниевых сплавах значительно превышает возможность их производства. Это ставит перед металлургами, технологами и разработчиками новые проблемы повышения качества литья, использования лома и стружки, создание безотходных и малоотходных технологий производства. Обостряются вопросы экологии.
История магния
Магний в виде металла был впервые получен Гемфри Дэви в 1808 году. Английский химик проводил процесс электролиза между влажной смесью белой магнезии и оксидом ртути, в результате чего получил сплав ртути с неизвестным металлом (амальгаму). После выгонки ртути Дэви получил новое вещество - порошок металла, который был назван магнием (calorizator). Через два десятилетия, в 1828 году француз А.Бюсси получил чистый металлический магний.
Магний является элементом главной подгруппы II группы III периода периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, имеет атомный номер 12 и атомную массу 24,305. Принятое обозначение - Mg (от латинского Magnesium ).
Нахождение в природе
По количеству содержания в земной коре магний занимает 8-е место среди минеральных веществ, он очень распространён. Природными источниками магния являются морская вода, ископаемые минеральные отложения и рассолы.
Магний является лёгким и ковким металлом, его цвет - серебристо-белый с явным металлическим блеском. В обычном состоянии покрыт плёнкой оксида магния, которую можно разрушить, нагрев металл до 600-650˚С. Магний сгорает, выделяя ослепительно белое пламя и образуя оксид и нитрид магния.
Суточная потребность в магнии
Суточная потребность в магнии зависит от возраста, пола и физического состояния человека. Для здорового взрослого человека составляет от 400 до 500 мг.
В продуктах питания содержится различное количество магния, расположим их по мере убывания содержания полезного микроэлемента:
- крупы ( и )
- молочные продукты, рыба,
Усвояемость магния
Всасывание органических соединений магния в основном происходит в двенадцатиперстной и толстой кишках, при чрезмерном употреблении кофеина, алкоголя и организм теряет значительную часть магния с мочой.
Взаимодействие с другими
Для организма важен баланс между и магнием, потому что именно эти минералы отвечают за нормальное состояние костной ткани и зубов. В аптечных витаминно-минеральных комплексах количество кальция и магния содержится в оптимальных количествах.
Нехватку магния в организме могут вызвать болезни почек, расстройство желудка, приём мочегонных средств и некоторых контрацептивов, чрезмерное увлечение алкоголем и кофеином. Признаками нехватки магния считают бессонницу, раздражительность, головокружения, нарушения сердцебиения и скачки кровяного давления, частые головные боли, чувство усталости, мерцающие точки перед глазами, судороги, мышечные спазмы, выпадение волос.
Признаки избытка магния
Признаками избытка магния считают:
- понос, тошноту, рвоту
- сонливость, замедление пульса
- нарушения координации, речи
- высыхание слизистых (во рту и носу).
Магний важен для эффективного функционирования нервов и мышц, важен для превращения сахара крови в энергию. Магний поддерживает здоровое состояние зубов, помогает предупредить отложения , камни в почках и желчном пузыре, приносит облегчение при несварении. Организм человека содержит приблизительно 21 г магния.
Магний нормализует деятельность сердечно-сосудистой и эндокринной систем организма, функции головного мозга, оказывает помощь при выведении токсинов и тяжёлых металлов.
Применение магния в жизни
Соединения магния (сплавы) используются в самолётостроении и автомобильном производстве из-за прочности и лёгкости магниевых сплавов. Магний применяется как химический источник тока, в медицине, военном деле, в фотографии.
Свойства магния
Физико-химические свойства. Температура плавления магния 651 °С, температура кипения 1110 °C. На воздухе чистый магний медленно окисляется, покрываясь тонкой окисной пленкой, которая слабо предохраняет металл от дальнейшей коррозии. При нагревании магния в атмосфере азота до 500 °С образуется нитрид магния Mg3N2 - зеленоватый порошок, устойчивый без плавления до 600 °С. Магний слабо реагирует со щелочами и активно с разбавленными минеральными кислотами, выделяя при этом водород. Магний является химически активным металлом; он энергично восстанавливает менее активные металлы из их соединений.
С увеличением чистоты магния возрастает его устойчивость против коррозии. Хлористые соли и примеси металлов Fe, Si, Cu, Ni, Na, К резко понижают коррозионную стойкость магния в жидких средах. Скорость коррозии магния различной чистоты (марки Mг-1, сублимированного магния и очищенного зонной плавкой) в растворе соляной кислоты и хлорида калия представлена в табл. 9.
Скорость коррозии определялась по количеству водорода, выделившегося за один час с 1 см2 поверхности образца магния. Из табл. 9 следует, что содержание примесей существенно влияет на коррозионную стойкость магния. Магний, очищенный зонной плавкой, по коррозионной устойчивости сравним с магнием, очищенным сублимацией.
Механические свойства. Чистота магния оказывает значительное влияние на его механические свойства. Неметаллические включения, особенно окись магния, а также примеси меди, натрия и калия понижают его пластичность.
Ниже приведены значения предела текучести и прочности, относительного удлинения и микротвердости магния различной чистоты:
Из приведенных данных следует, что с повышением чистоты магния значительно возрастает относительное удлинение и понижаются пределы текучести, прочности, а также микротвердость магния. Магний, очищенный зонной плавкой, по своей прочности не уступает магнию, очищенному сублимацией, а по пластичности превосходит его. Это указывает на меньшее содержание в нем растворенных газов. Расплавленный магний поглощает большее количество водорода (0,26 см3/г), поэтому при кристаллизации металла вследствие выделения избыточного водорода в слитках образуется пористость.
Применение чистого магния
Магний высокой чистоты обладает рядом ценных свойств. Имея малое сечение захвата тепловых нейтронов (0,059 барна), сплавы на основе чистого магния являются хорошим конструкционным материалом в атомных реакторах при изготовлении оболочек тепловыделяющих элементов. Магний высокой чистоты широко применяется и в качестве восстановителя для получения урана из его тетрафторида. При этом резко возрастают требования к содержанию в магнии примесей с большим сечением захвата нейтронов.
Перспективным может быть применение высокочистого магния для синтеза полупроводниковых соединений с элементами IV-VI групп периодической системы Д.И. Менделеева. Ниже приведены свойства полупроводниковых соединений магния с элементами IV группы:
Эти соединения могут использоваться в термогенераторах, способных работать при повышенных температурах.
Магний, применяемый для синтеза полупроводниковых соединений, должен содержать минимальное количество электрически активных примесей, таких как медь, железо, бор, а также растворенных газов. Полупроводниковые свойства Mg2Pb были выявлены только после удаления из магния растворенных газов.
Магний чистотой 99,95% применяется как геттер в газоразрядных лампах с накаленным катодом, наполненным ртутью. Чистый магний применяют для изготовления катодов фотоумножителей и счетчиков Гейгера-Мюллера, предназначенных для регистрации излучений, лежащих в коротковолновой области спектра.
При использовании магния в качестве Конструкционного материала ограничивается содержание примесей, понижающих коррозионную стойкость, например, железа и хлоридов.
Выпускаемый отечественной промышленностью первичный магний, согласно ГОСТ 804-56, должен соответствовать по числу и содержанию примесей маркам магния Mг-1 и Mг-2. Ниже приведены предельно допустимые концентрации примесей, %:
Чистота магния по стандарту определяется по разности с восемью анализируемыми примесями. Полный анализ такого металла позволяет, однако, обнаружить в нем большое число и других примесей, правда в относительно небольших количествах. С помощью чувствительных методов анализа магния, полученного из морской воды, обнаружено в нем в качестве примесей около 60 различных элементов, содержание которых лежит в пределах 2*10в-4% (Al и Ca) - 6*10в-3% Cl. Характерным для магния, полученного из морской воды, является присутствие в нем примеси бора 4*10в-6%.
В магнии, извлеченном из электролизных ванн, всегда присутствуют примеси хлористых солей MgCl2, KCl, NaCl и CaCl2, захватываемых в виде электролита при отсасывании или вычерпывании магния из катодных ячеек ванны. Из неметаллических примесей в магнии часто присутствует окись магния.
Для рафинирования магния от солей и усреднения состава применяют переплавку его с флюсами. Для получения более чистого магния может быть применено несколько методов: возгонка в вакууме, электролитическое рафинирование и зонная плавка. В настоящее время промышленным способом очистки магния является возгонка его в вакууме.
