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元素的奥秘——镁
来源:老粥科普 2023-05-12 347
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    镁的由来

    镁(Mg)是宇宙中第九丰富的元素,它生成于巨大的老年恒星内部,由三个氦原子核相继加入一个碳原子核形成新的镁核。当像超新星这样的恒星爆炸时,大部分的镁被散射到星际介质中,在那里镁可以循环进入新的恒星系统。

    镁很脆(上),加入1%铝和0.1%钙的镁合金后可承受54%的变形(下)

    镁的化学性质

    前面一节中我们介绍了,镁的最外层3s轨道上只有2个电子,这决定了镁是一个化学性质非常活泼的堿土金属。如果你将一块镁扔进水里,它会与水反应,在表面形成氢气泡。尽管其反应速度跟堿金属没法比,但如果你将金属镁粉丢进水里是很危险的。理论上我们可以利用镁与水的可逆反应来获取能量,日本的一家公司就在尝试做“镁基发动机”,我们将在镁的应用章节加以介绍。

    镁的加热及燃烧过程

    镁和镁合金的火焰温度可达到3100℃,它发出耀眼白光,你最好不要直视镁的火光,因为其中有大量紫外线,会永久伤害视网膜。镁燃烧的火焰极难扑灭,因为镁在高温状态下与氮气、二氧化碳和水都可以发生化学反应,你只能用干的沙子覆盖它,将其与氧气隔绝开来。

    800℃下,镁与氮气反应产生氮化镁:

    3Mg N₂=Mg₃N₂

    镁可以在二氧化碳中点燃,生成氧化镁和碳:

    2Mg CO₂=2MgO C

    如果用水扑灭镁火,会因产生氢气而爆炸:

    Mg 2H₂O=Mg(OH)₂ H₂↑

    水镁石Mg(OH)₂

    从其它矿石中提取镁,基本也遵循逐步合成氯化镁的步骤,然后电解氯化镁以得到金属镁。

    白云石,白色结晶为CaMg(CO₃)₂

    大多数的情况下,我们并不需要提纯金属镁,包括碳酸镁、氯化镁、柠檬酸镁、氢氧化镁(氧化镁乳)、氧化镁、硫酸镁和七水合硫酸镁(泻盐)等等,这些镁化合物对工业和生物学都很重要。

    镁的用途

    金属镁主要是拿来烧。出于各种不同的目的,人们发明了各种各样的烧法。

    最早的时候,东方的人们发现镁燃烧可以发出耀眼的白色火花,所以将其制成焰火。由于镁粉末的自燃温度仅为473°C,所以它也可以跟燧石一起使用,用小刀刮擦它产生的火花可以点燃干草或刨花。这可以在野外生存的时候代替火柴,它比打火机更耐用,并且不怕沾水。

    BMW-6的铝镁合金发动机缸体

    除了发动机缸体的压铸外,镁合金还被用来制造高端轿车的轮毂。一些手机厂商也拿它来制作智能手机的外壳,以获得更轻的重量和更好的机械加工性能。

    保时捷的镁合金轮毂

    镁会与水发生化学反应产生氢气并发热,日本东京工业大学(TIT)和三菱公司希望研制一种“镁喷射循环发动机(MAGIC)”,他们称已经制造出一种不使用化石燃料的无污染发动机原型,尽管其尺寸小(直径约5cm,高度13.5cm),但发动机可以产生几十千瓦的热量输出。不过15年过去了,这项研究没有发表更新的进展。

    2004年TIT称研制出“镁喷射循环发动机(MAGIC)

    除了金属镁外,镁的各种化合物的应用也十分广泛。氧化镁常被用作各种冶金工业炉内衬高温耐火材料,还用于农业、化学和建筑业中;镁盐是许多种食物必不可少的添加剂,因为我们人类需要摄入镁;镁是叶绿素的组成部分,所以镁盐也被用于化肥的生产;亚硫酸镁用于造纸;六氟硅酸镁用于纺织,它可以防蛀;磷酸镁在建筑防火材料的生产中得到广泛应用。

    总结:

    镁来自于巨大老年恒星内部,它是由氦和碳元素结合而成,然后通过超新星爆发抛射到太空中,我们地球上所有的镁元素都是这么得来的。

    镁的最外层有两个自由电子,这决定了镁是一种很活泼的碱土金属,它能与氧气、氮气、水甚至二氧化碳发生化学反应,所以当镁燃烧的时候,无论是用水还是二氧化碳都无法扑灭,你只能选择用干砂覆盖灭火。

    金属镁烧出了各种用途,它可以用于发光发热,充当闪光灯,制作干扰弹,还可以当燃烧弹。

    镁合金轻、有优良的加工性能,因此被广泛用于航空航天和汽车发动机的制造,还被用来制成手机壳,没准你现在拿的手机背壳就是用镁合金做的呢!

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