Производство магния
В современном машиностроении магний находит широкое применение главным образом как основа легких сплавов. Для получения металлического магния применяют два способа — электролитический и термический. В качестве исходных материалов используют магнезит, доломит, карналлит и бишофит. Магнезит является карбонатом магния (MgCO3), содержащий 28,8% Mg. В природном магнезите, кроме MgCO3, обычно содержатся окислы кремния, железа, алюминия и кальция. В нашей стране имеются большие залежи магнезита на Урале (Саткинское и Халиловское месторождения).
Доломит представляет собой двойной карбонат магния и кальция (MgCO3*CaCO3), содержащий 13,2% Mg. Доломит содержит примеси в виде кварца, кальцита, гипса и др. Наиболее крупные промышленные месторождения доломита находятся в Московской области, на Урале и на Украине.
Карналлит является природным хлоридом магния и калия (MgCl2*KCl*6Н2O), в зависимости от содержания тех или иных примесей имеет розовый, желтый или серый цвет. Карналлит является гигроскопическим материалом, активно поглощающим влагу. В карналлите содержится 8,8% Mg. Крупнейшие залежи карналлита находятся на Урале (Соликамское месторождение).
Бишофит представляет собой хлорид магния (MgCl2*6Н2О), в природе содержится в морской воде, около 0,3% в воде соляных озер. В некоторых озерах нашей страны, например озера Перекопской группы, к концу лета содержание MgCl2 достигает 15%. Бишофит также получают при переработке природного карналлита.
Электролитическим способом получают магний из хлоридов магния.
Для этой цели магнезит или доломит подвергают обжигу при температурах 700—800° С. Во время обжига магнезит диссоциирует
Хлорирование окиси магния осуществляют в шахтных электрических печах, футерованных шамотным кирпичом. Во время хлорирования в печь, кроме окиси магния, загружают угольные цилиндрики, а через фурмы, расположенные внизу печи, подают хлор. Электроды в печи располагают друг к другу под углом 120°. При работе печи развивается максимальная температура до 1000° C. В печи образовавшийся хлористый магний расплавляется и периодически, через 3—4 часа, выпускается в ковш с плотно закрывающейся крышкой и в последнем транспортируется в цех электролиза.
Карналлит подвергают обезвоживанию и расплавлению. Обезвоживание обычно производят в трубчатых вращающихся печах при температуре газов на входе до 450° С и на выходе до 220° С. Плавление ведут в трехфазных электропечах при температуре 750—800° С. Во время выдержки из расплава оседает на дно печи MgO, а в расплаве остается до 50% MgCl2, 0,5—0,7% MgO, остальное KCl и NaCl. Полученный расплав направляют на электролиз. Бишофит также подвергают обезвоживанию и расплавлению.
Получение магния из хлоридов магния ведут в электролизных ваннах. Схема электролизера приведена на рис. 22. В ван не анодами являются графитовые электроды, катодами — стальные пластины. Электролитом служит расплав солей MgCl2, KCl, NaCl, CaCl2. Во время электролиза электрический ток, проходя через электролит, нагревает его до температуры 700—750° С. При этих температурах MgCl2 разлагается и в катодном пространстве выделяется магний, а в анодном хлор. Плотность электролита больше плотности магния, поэтому магний всплывает на поверхность ванны. Отсюда магний при помощи вакуума перекачивается в ковш. Выделяющийся хлор отсасывают через хлоропровод. В процессе электролиза образующаяся окись магния и восстановленное железо осаждаются на дно ванны. Их периодически удаляют.
При электролизе расходуется 20—25 кг электродов и 15000—17000 квт*ч электроэнергии на 1 т магния.
Полученный процессом электролиза магний обычно содержит примеси: Fe, Na, К, CaCl2, MgCl2, NaCl, KCl, MgO. Примеси отрицательно влияют на механические свойства и коррозионную стойкость магния. Поэтому электролитический магний рафинируют.
Рафинирование магния производят или переплавкой с флюсами или возгонкой магния.
Рафинирование магния переплавкой с флюсами производят в электропечах сопротивления или при пламенном обогреве со стационарным или выемным тиглем. Печь футеруют шамотным кирпичом, а тигли изготовляют из чугуна или стали. В качестве флюса используют хлористые и фтористые соли (MgCl2; KCl; BaCl; NaCl; CaCl; CaF). После расплавления и нагрева металла до 700— 750° С его перемешивают с флюсом. Затем металл охлаждают до 690—710° С и из-под слоя шлака разливают в чушки. Этот способ рафинирования дает возможность очищать магний только от неметаллических примесей. После рафинирования получают металл с содержанием 99,85—99,9% Mg.
Рафинирование магния возгонкой основано на значительной упругости паров его. Упругость паров примесей, к которым относятся железо, кремний, медь и алюминий, меньше упругости паров магния.
Рафинирование возгонкой ведут в герметически закрытых ретортах со ступенчатым вакуумом (рис. 23). При температуре 600° С и остаточном давлении 0,1—0,2 мм рт. ст. магний испаряется. В зоне конденсации при температуре 450—500° С магний оседает на стенках реторты в виде друз — чистых блестящих кристаллов.
Друзы магния отделяются, затем переплавляются, после чего магний разливается на чушки. Металл содержит 99,99% Mg.
Электролитический способ получения магния является трудоемким и вредным производством. Поэтому в последние годы находят применение термические способы получения магния. Термические способы подразделяются на силикотермический, карбидно-термический и углетермический. В основу этих способов положены процессы восстановления магния из обожженного магнезита или доломита. При силикотермическом способе восстановителем служит кремний. Восстановление магния происходит по следующей реакции:
В качестве исходного материала используют доломит, ферросилиций или сплавы кремния с алюминием. Восстановление ведут в ретортах из нержавеющей стали под вакуумом до 0,1 ат, соединенных с кристаллизаторами. Реторты нагревают в электропечах или пламенем за счет сжигания топлива. При нагреве материала до 1100—1200° С в вакууме магний восстанавливается, испаряется и конденсируется (кристаллизуется) на стенках в кристаллизаторах. В реторту загружают 3,5—4,0 г шихты и получают 500—600 кг магния. На восстановление магния из 5 г доломита расходуют 1 г 75%-ного ферросилиция.
При карбидно-термическом способе в качестве исходных материалов используют магнезит и карбид кальция. В процессе нагрева такой смеси в ретортах под вакуумом до 1100—1200°С протекает реакция
Магний, испаряясь в кристаллизаторе, конденсируется, окись углерода отводится, а окись кальция остается в реторте в виде твердой фазы.
Восстановление магния углетермическим способом ведут в специальных дуговых печах при температуре выше 2000° С. При этих температурах протекает реакция
Источник
Глоссарий. Химия
Ма́гний — элемент главной подгруппы второй группы, третьего периода периодической системы химических элементов, с атомным номером 12. Обозначается символом Mg (лат. Magnesium). Простое вещество магний (CAS-номер: 7439-95-4) — лёгкий, ковкий металл серебристо-белого цвета. Средне распространён в природе. При горении выделяется большое количество света и тепла.
Происхождение названия
В 1695 году из минеральной воды Эпсомского источника в Англии выделили соль, обладавшую горьким вкусом и слабительным действием. Аптекари называли её горькой солью, а также английской, или эпсомской солью. Минерал эпсомит имеет состав MgSO4 · 7H2O. Латинское название элемента происходит от названия древнего города Магнезия в Малой Азии, в окрестностях которого имеются залежи минерала магнезита. Впервые был выделен в чистом виде сэром Хемфри Дэви в 1808 году.
Получение
Обычный промышленный метод получения металлического магния — это электролиз расплава смеси безводных хлоридов магния MgCl2 (бишофит), натрия NaCl и калия KCl. В расплаве электрохимическому восстановлению подвергается хлорид магния: MgCl2 (электролиз) = Mg + Cl2. Расплавленный металл периодически отбирают из электролизной ванны, а в нее добавляют новые порции магнийсодержащего сырья. Так как полученный таким способом магний содержит сравнительно много (около 0,1 %) примесей, при необходимости «сырой» магний подвергают дополнительной очистке. С этой целью используют электролитическое рафинирование, переплавку в вакууме с использованием специальных добавок — флюсов, которые «отнимают» примеси от магния или перегонку (сублимацию) металла в вакууме. Чистота рафинированного магния достигает 99,999 % и выше. Разработан и другой способ получения магния — термический. В этом случае для восстановления оксида магния при высокой температуре используют кремний или кокс: MgO + C = Mg + CO Применение кремния позволяет получать магний из такого сырья, как доломит CaCO3·MgCO3, не проводя предварительного разделения магния и кальция. С участием доломита протекают реакции: CaCO3·MgCO3 = CaO + MgO + 2CO2, 2MgO + CaO + Si = CaSiO3 + 2Mg. Преимущество термического способа состоит в том, что он позволяет получать магний более высокой чистоты. Для получения магния используют не только минеральное сырьё, но и морскую воду.
Физические свойства
Магний — металл серебристо-белого цвета с гексагональной решёткой, пространственная группа P 63/mmc. При обычных условиях поверхность магния покрыта прочной защитной плёнкой оксида магния MgO, которая разрушается при нагреве на воздухе до примерно 600 °C, после чего металл сгорает с ослепительно белым пламенем с образованием оксида и нитрида магния Mg3N2. Плотность магния при 20 °C — 1,737 г/см³, температура плавления металла tпл = 651 °C, температура кипения — tкип = 1103 °C, теплопроводность при 20 °C — 156 Вт/(м·К). Магний высокой чистоты пластичен, хорошо прессуется, прокатывается и поддаётся обработке резанием.
Химические свойства
Смесь порошкового магния с перманганатом калия KMnO4 — взрывчатое вещество. Раскаленный магний реагирует с водой: Mg (раск.) + Н2О = MgO + H2↑; Щелочи на магний не действуют, в кислотах он растворяется легко с выделением водорода: Mg + 2HCl = MgCl2 + H2; При нагревании на воздухе магний сгорает, с образованием оксида, также с азотом может образовываться небольшое количество нитрида: 2Mg + О2 = 2MgO; 3Mg + N2 = Mg3N2
Источник
Магний: способы получения и химические свойства
Магний Mg — это щелочной металл. Серебристо-белый, относительно мягкий, пластичный, ковкий металл. На воздухе покрыт оксидной пленкой. Сильный восстановитель.
Относительная молекулярная масса Mr = 24,305; относительная плотность для твердого и жидкого состояния d = 1,737; tпл = 648º C; tкип = 1095º C.
Способ получения
1. В результате электролиза расплава хлорида магния образуются магний и хлор :
2. Нитрид магния разлагается при 700 — 1500º С образуя магний и азот:
3. Оксид магния легко восстанавливается углеродом при температуре выше 2000º С, образуя магний и угарный газ:
MgO + C = Mg + CO
4. Оксид магния также легко восстанавливается кальцием при 1300º С с образованием магния и оксида кальция:
MgO + Ca = CaO + Mg
Качественная реакция
Качественной реакцией для магния является взаимодействие соли магния с любой сильной щелочью, в результате которой происходит выпадение студенистого осадка:
1. Хлорид магния взаимодействует с гидроксидом калия и образует гидроксид магния и хлорид калия:
MgCl2 + 2KOH = Mg(OH)2 + 2KCI
Химические свойства
1. Магний — сильный восстановитель . Поэтому он реагирует почти со всеми неметаллами :
1.1. Магний взаимодействует с азотом при 780 — 800º С образуя нитрид магния:
1.2. Магний сгорает в кислороде (воздухе) при 600 — 650º С с образованием оксида магния:
2Mg + O2 = 2MgO
1.3. Магний активно реагирует при комнатной температуре с влажным хлором . При этом образуется хлорид магния :
1.4. С водородом магний реагирует при температуре 175º C, избыточном давлении и в присутствии катализатора MgI2 с образованием гидрида магния:
2. Магний активно взаимодействует со сложными веществами:
2.1. Магний реагирует с горячей водой . Взаимодействие магния с водой приводит к образованию гидроксида магния и газа водорода:
2.2. Магний взаимодействует с кислотами:
2.2.1. Магний реагирует с разбавленной соляной кислотой, при этом образуются хлорид магния и водород :
Mg + 2HCl = MgCl2 + H2 ↑
2.2.2. Реагируя с разбавленной азотной кислотой магний образует нитрат магния, оксид азота (I) и воду:
2.2.3. В результате реакции сероводородной кислоты и магния при 500º С образуется сульфид магния и водород:
Mg + H2S = MgS + H2
2.3. Магний вступает в реакцию с газом аммиаком при 600 — 850º С. В результате данной реакции образуется нитрид магния и водород:
2.4. Магний может вступать в реакцию с оксидами :
2.4.1. В результате взаимодействия магния и оксида азота (IV) при температуре 150º С в вакууме, в этилацетилене образуется нитрат магния и оксид азота (II):
2.4.2. Магний взаимодействует с оксидом кремния при температуре ниже 800º С в атмосфере водорода образуя силицид магния и оксид магния:
4Mg + SiO2 = Mg2Si + MgO,
а если температуру поднять до 1000º С, то в результате реакции образуется кремний и оксид магния:
2Mg + SiO2 = Si + 2MgO
Источник
