История и происхождение названия

Nbsp; Читать далее: День Октябрьской революции 1917 года | 07.11 | В Москве

Применение щелочных металлов

Металлический натрий, с тех пор как его изготовление стало дешевым, находит широкое техническое применение. Его используют в качестве исходного продукта при производстве перекиси натрия (моющее средство), а также амида натрия и натрийцианамида. Его используют также в больших количествах в органических синтезах (например, в красильном производстве). В осветительной технике его применяют в натриевых газоразрядных лампах. В лабораториях натрий используют в качестве восстановителя. Для этого обычно вместо чистого металла употребляют мягко действующую амальгаму. Металлический калий также иногда употребляют в лаборатории. Кроме того, калий и прежде всего цезий применяют в фотоэлементах. Помимо этого, рубидий и цезий в свободном состоянии мало применяются. Металлический литий, напротив, приобрел большое техническое значение. Его используют во все возрастающих количествах в сплавах, так как небольшие добавки этого металла существенно улучшают свойства многих сплавов. Преимущественно литий (и наряду с натрием и кальцием) применяют для свинцово-подшипниковых сплавов и при производстве склерона. Кроме того, он служит в качестве раскисляющего средства для меди и при рафинировании содержащего никеля.

Перекись натрия в больших количествах используется при производстве моющих средств. В лаборатории ее применяют как энергичный окислитель в водном растворе и в расплаве. Гидроксиды калия и натрия в технике и в лаборатории часто применяют в качестве сильных оснований.

Вследствие небольшой гигроскопичности оксида и гидроксида лития, их используют для приготовления фотографических проявителей в виде порошков.

Соли щелочных металлов натрия и калия также имеют широкое применение. Если требуется ввести в реакцию какой-либо кислотный остаток, то его применяют большей частью в виде соответствующей соли щелочного металла (натрия или калия). Такое предпочтение для реакций щелочных солей объясняется их легкой плавкостью и растворимостью, а также и тем, что они не вызывают нежелательных побочных реакций. Однако, для технических целей, могут использовать и другие соединения, если они являются дешевле. Некоторые соли лития, например салицилат, карбонат и цитрат принимают как лечебное средство от подагры. Минеральные воды, употребляемые для борьбы с этой болезнью, в качестве действующей составной части содержат соли лития.

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.

В 1792 году Антон фон Рупрехт получил новый металл, названный им австрием, восстановлением углём избелой магнезии. Позже было установлено, что «австрий» представляет собой магний крайне низкой степени чистоты, поскольку исходное вещество была сильно загрязнёно железом^[2].

Впервые был выделен в чистом виде сэром Гемфри Дэви в 1808 году дистилляцией ртути из магниевойамальгамы, которую он получил электролизом полужидкой смеси оксидов магния и ртути.

История и происхождение названия

Название элемента происходит от лат. calx (в родительном падеже calcis) — «известь», «мягкий камень». Оно было предложено английским химиком Хэмфри Дэви, в 1808 г. выделившим металлический кальцийэлектролитическим методом. Дэви подверг электролизу смесь влажной гашёной извести с оксидом ртути HgO наплатиновой пластине, которая являлась анодом. Катодом служила платиновая проволока, погруженная в жидкуюртуть. В результате электролиза получалась амальгама кальция. Отогнав из неё ртуть, Дэви получил металл, названный кальцием.

Соединения кальция — известняк, мрамор, гипс (а также известь — продукт обжига известняка) применялись в строительном деле уже несколько тысячелетий назад. Вплоть до конца XVIII века химики считали известь простым телом. В 1789 году А. Лавуазье предположил, что известь, магнезия, барит, глинозём и кремнезём — вещества сложные.

[править]Нахождение в природе

Из-за высокой химической активности кальций в свободном виде в природе не встречается.

На долю кальция приходится 3,38 % массы земной коры (5-е место по распространенности после кислорода, кремния, алюминия и железа). Содержание элемента вморской воде — 400 мг/л^[3].

[править]Изотопы

Кальций встречается в природе в виде смеси шести изотопов: ⁴⁰Ca, ⁴²Ca, ⁴³Ca, ⁴⁴Ca, ⁴⁶Ca и ⁴⁸Ca, среди которых наиболее распространённый — ⁴⁰Ca — составляет 96,97 %.

Из шести природных изотопов кальция пять стабильны. Шестой изотоп ⁴⁸Ca, самый тяжелый из шести и весьма редкий (его изотопная распространённость равна всего 0,187 %), как было недавно обнаружено, испытывает двойной бета-распад с периодом полураспада 5,3·10¹⁹ лет.

[править]В горных породах и минералах

Большая часть кальция содержится в составе силикатов и алюмосиликатов различных горных пород (граниты, гнейсы и т. п.), особенно в полевом шпате — анортитеCa[Al₂Si₂O₈].

В виде осадочных пород соединения кальция представлены мелом и известняками, состоящими в основном из минерала кальцита (CaCO₃). Кристаллическая форма кальцита — мрамор — встречается в природе гораздо реже.

Довольно широко распространены такие минералы кальция, как кальцит CaCO₃, ангидрит CaSO₄, алебастр CaSO₄·0.5H₂O и гипс CaSO₄·2H₂O, флюорит CaF₂, апатитыCa₅(PO₄)₃(F,Cl,OH), доломит MgCO₃·CaCO₃. Присутствием солей кальция и магния в природной воде определяется её жёсткость.

Кальций, энергично мигрирующий в земной коре и накапливающийся в различных геохимических системах, образует 385 минералов (четвёртое место по числу минералов).

[править]Миграция в земной коре

В естественной миграции кальция существенную роль играет «карбонатное равновесие», связанное с обратимой реакцией взаимодействия карбоната кальция с водой и углекислым газом с образованием растворимого гидрокарбоната:

(равновесие смещается влево или вправо в зависимости от концентрации углекислого газа).

Огромную роль играет биогенная миграция.

[править]В биосфере

Соединения кальция находятся практически во всех животных и растительных тканях (см. тж. ниже). Значительное количество кальция входит в состав живых организмов. Так, гидроксиапатит Ca₅(PO₄)₃OH, или, в другой записи, 3Ca₃(PO₄)₂·Са(OH)₂ — основа костной ткани позвоночных, в том числе и человека; из карбоната кальция CaCO₃ состоят раковины и панцири многих беспозвоночных, яичная скорлупа и др. В живых тканях человека и животных 1,4-2 % Са (по массовой доле); в теле человека массой 70 кг содержание кальция — около 1,7 кг (в основном в составе межклеточного вещества костной ткани).

[править]Получение

Свободный металлический кальций получают электролизом расплава, состоящего из CaCl₂ (75-80 %) и KCl или из CaCl₂ и CaF₂, а также алюминотермическим восстановлением CaO при 1170—1200 °C:

[править]Свойства

В этом разделе не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 28 января 2012.

[править]Физические

Металл кальций существует в двух аллотропных модификациях. До 443 °C устойчив α-Ca с кубической гранецентрированной решеткой (параметр а = 0,558 нм), выше устойчив β-Ca с кубической объемно-центрированной решеткой типа α-Fe (параметр a = 0,448 нм). Стандартная энтальпия перехода α → β составляет0,93 кДж/моль.

При постепенном повышении давления начинает проявлять свойства полупроводника, но не становится полупроводником в полном смысле этого слова (металлом уже тоже не является). При дальнейшем повышении давления возвращается в металлическое состояние и начинает проявлять сверхпроводящие свойства (температура сверхпроводимости в шесть раз выше, чем у ртути, и намного превосходит по проводимости все остальные элементы). Уникальное поведение кальция похоже во многом на стронций (то есть параллели в периодической системе сохраняются)^[4].

[править]Химические

Кальций — типичный щёлочноземельный металл. Химическая активность кальция высока, но ниже, чем более тяжёлых щёлочноземельных металлов. Он легко взаимодействует с кислородом, углекислым газом и влагой воздуха, из-за чего поверхность металлического кальция обычно тускло серая, поэтому в лаборатории кальций обычно хранят, как и другие щёлочноземельные металлы, в плотно закрытой банке под слоем керосина или жидкого парафина.

В ряду стандартных потенциалов кальций расположен слева от водорода. Стандартный электродный потенциал пары Ca²⁺/Ca⁰ −2,84 В, так что кальций активно реагирует с водой, но без воспламенения:

С активными неметаллами (кислородом, хлором, бромом) кальций реагирует при обычных условиях:

При нагревании на воздухе или в кислороде кальций воспламеняется и горит красным пламенем с оранжевым оттенком. С менее активными неметаллами (водородом,бором, углеродом, кремнием, азотом, фосфором и другими) кальций вступает во взаимодействие при нагревании, например:

Кроме фосфида кальция Ca₃P₂ известны также фосфиды кальция составов СаР и СаР₅;

Кроме силицида кальция Ca₂Si известны также силициды кальция составов CaSi, Ca₃Si₄ и CaSi₂.

Протекание указанных выше реакций, как правило, сопровождается выделением большого количества теплоты. Во всех соединениях с неметаллами степень окисления кальция +2. Большинство из соединений кальция с неметаллами легко разлагается водой, например:

Ион Ca²⁺ бесцветен. При внесении в пламя растворимых солей кальция пламя окрашивается в кирпично-красный цвет.

Такие соли кальция, как хлорид CaCl₂, бромид CaBr₂, иодид CaI₂ и нитрат Ca(NO₃)₂, хорошо растворимы в воде. Нерастворимы в воде фторид CaF₂, карбонат CaCO₃,сульфат CaSO₄, ортофосфат Ca₃(PO₄)₂, оксалат СаС₂О₄ и некоторые другие.

Важное значение имеет то обстоятельство, что, в отличие от карбоната кальция СаСО₃, кислый карбонат кальция (гидрокарбонат) Са(НСО₃)₂ в воде растворим. В природе это приводит к следующим процессам. Когда холодная дождевая или речная вода, насыщенная углекислым газом, проникает под землю и попадает на известняки, то наблюдается их растворение, а тех же местах, где вода, насыщенная гидрокарбонатом кальция, выходит на поверхность земли и нагревается солнечными лучами, протекает обратная реакция

Так в природе происходит перенос больших масс веществ. В результате под землей могут образоваться огромные провалы, а в пещерах образуются красивые каменные «сосульки» — сталактиты и сталагмиты.

Наличие в воде растворенного гидрокарбоната кальция во многом определяет временную жёсткость воды. Временной её называют потому, что при кипячении воды гидрокарбонат разлагается, и в осадок выпадает СаСО₃. Это явление приводит, например, к тому, что в чайнике со временем образуется накипь.

[править]Нахождение в природе

Кларк магния 19 кг/т. Это один из самых распространённых элементов земной коры. Большие количества магния находятся в морской воде. Главными видами нахождения магнезиального сырья являются:

§ морская вода — (Mg 0,12-0,13 %),

§ карналлит — MgCl₂ • KCl • 6H₂O (Mg 8,7 %),

§ бишофит — MgCl₂ • 6H₂O (Mg 11,9 %),

§ кизерит — MgSO₄ • H₂O (Mg 17,6 %),

§ эпсомит — MgSO₄ • 7H₂O (Mg 16,3 %),

§ каинит — KCl • MgSO₄ • 3H₂O (Mg 9,8 %),

§ магнезит — MgCO₃ (Mg 28,7 %),

§ доломит — CaCO₃·MgCO₃ (Mg 13,1 %),

§ брусит — Mg(OH)₂ (Mg 41,6 %).

Магнезиальные соли встречаются в больших количествах в солевых отложениях самосадочных озёр. Месторождения ископаемых солей карналлита осадочного происхождения известны во многих странах.

Магнезит образуется преимущественно в гидротермальных условиях и относится к среднетемпературным гидротермальным месторождениям. Доломит также является важным магниевым сырьём. Месторождения доломита широко распространены, запасы их огромны. Они ассоциируют с карбонатными толщами и большинство из них имеет докембрийский или пермский возраст. Доломитовые залежи образуются осадочным путём, но могут возникать также при воздействии на известняки гидротермальных растворов, подземных или поверхностных вод.

[править]Типы месторождений

Природные источники магния:

§ ископаемые минеральные отложения (магнезиальные и калийно-магнезиальные карбонаты: доломит, магнезит),

§ морская вода,

§ рассолы (рапа соляных озёр).

Большая часть мировой добычи магния сосредоточена в США (43 %), странах СНГ (26 %) и Норвегии (17 %), возрастает доля Китая^[3].

[править]Получение

Обычный промышленный метод получения металлического магния — это электролиз расплава смеси безводных хлоридов магния MgCl₂ (бишофит), натрия NaCl и калияKCl. В расплаве электрохимическому восстановлению подвергается хлорид магния:

MgCl₂ (электролиз) = Mg + Cl₂.

Расплавленный металл периодически отбирают из электролизной ванны, а в неё 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, обладает металлическим блеском; пространственная группа P 6₃/mmc, параметры решётки a = 0,32029 нм, c = 0,52000 нм, Z = 2. 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 t_пл = 651 °C, температура кипения t_кип = 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 + 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 и небольшого количества нитрида. При этом выделяется большое количество теплоты и световой энергии.
2Mg + О₂ = 2MgO;
3Mg + N₂ = Mg₃N₂

]Применение

Применяется для восстановления металлического титана из тетрахлорида титана. Используется для получения лёгких и сверхлёгких сплавов (самолётостроение, производство автомобилей), а также для изготовления осветительных и зажигательных ракет.

[]Сплавы

Сплавы на основе магния являются важным конструкционным материалом в авиационной и автомобильной промышленности благодаря их лёгкости и прочности. Цены на магний в слитках в 2006 году составили в среднем 3 долл/кг. В 2012 году цены на магний составляют порядка 2,8-2,9 долл./кг.

Химические источники тока

Магний в виде чистого металла, а также его химические соединения (бромид, перхлорат) применяются для производства очень мощных резервных электрических батарей (например, магний-перхлоратный элемент, серно-магниевый элемент, хлористосвинцово-магниевый элемент, хлорсеребряно-магниевый элемент, хлористомедно-магниевый элемент, магний-ванадиевый элемент и др.) и сухих элементов (марганцево-магниевый элемент, висмутисто-магниевый элемент, магний-м-ДНБ элемент и др.). Химические источники тока на основе магния отличаются очень высокими значениями удельных энергетических характеристик и высоким разрядным напряжением.

[править]Соединения

Гидрид магния — один из наиболее ёмких аккумуляторов водорода, применяемых для его хранения.

Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 298; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!