HORČÍK: HISTÓRIA, ŠTRUKTÚRA, VLASTNOSTI, REAKCIE, POUŽITIA - CHÉMIA - 2025

Horčík je kov alkalických zemín, ktoré patria do skupiny 2 periodickej tabuľky. Jeho atómové číslo je 12 a je predstavované chemickým symbolom Mg. Je to ôsmy najhojnejší prvok v zemskej kôre, z toho asi 2,5%.

Tento kov, rovnako ako jeho kongenéry a alkalické kovy, sa v prírode nenachádza v prírodnom stave, ale kombinuje sa s inými prvkami a vytvára početné zlúčeniny prítomné v horninách, morskej vode a slanom náleve.

Každodenné predmety vyrobené z horčíka. Zdroj: Firetwister z Wikipédie.

Horčík je súčasťou minerálov, ako je dolomit (uhličitan vápenatý a horečnatý), magnezit (uhličitan horečnatý), karnalit (hexahydrát chloridu horečnatého a chloridu draselného), brucit (hydroxid horečnatý) a kremičitany, ako je mastenec a olivín.

Jeho najbohatším prírodným zdrojom v dôsledku jeho rozšírenia je more, ktoré má množstvo 0,13%, aj keď Veľké soľné jazero (1,1%) a Mŕtve more (3,4%) majú vyššiu koncentráciu horčíka. Existujú soľanky s vysokým obsahom, ktorý sa koncentruje odparením.

Názov horčíka je pravdepodobne odvodený od magnezitu, ktorý sa nachádza v Magnézii v regióne Thesálie, starovekej oblasti Grécka. Bolo však zdôraznené, že magnetit a mangán sa našli v rovnakej oblasti.

Horčík silno reaguje s kyslíkom pri teplotách nad 645 ° C. Medzitým prášok horčíka horí na suchom vzduchu a vyžaruje intenzívne biele svetlo. Z tohto dôvodu bol použitý ako svetelný zdroj vo fotografii. V súčasnosti sa táto vlastnosť stále používa v pyrotechnike.

Je to nevyhnutný prvok pre živé bytosti. Je známe, že je kofaktorom viac ako 300 enzýmov, vrátane niekoľkých enzýmov glykolýzy. Je to životne dôležitý proces pre živé bytosti z dôvodu vzťahu s výrobou ATP, hlavného zdroja bunkovej energie.

Podobne je súčasťou komplexu podobného hemoglobínu ako hemu, ktorý je prítomný v chlorofyle. Je to pigment, ktorý sa podieľa na realizácii fotosyntézy.

histórie

uznanie

Joseph Black, škótsky chemik, ho v roku 1755 uznal ako prvok, experimentálne preukazujúci, že sa líši od vápnika, kovu, s ktorým ho zamieňali.

V tejto súvislosti Black napísal: „Experimentom už vieme, že magnézia alba (uhličitan horečnatý) je zmesou zvláštnej Zeme a fixovaného vzduchu.“

Izolácia

V roku 1808 sa Sir Humprey Davy podarilo túto izoláciu izolovať pomocou elektrolýzy, čím vznikol amalgám horčíka a ortuti. Urobila to elektrolýzou svojej mokrej sulfátovej soli s použitím ortuti ako katódy. Následne sa ortuť odparila z malgámu zahrievaním a zvyšok horčíka zostal.

V roku 1833 sa francúzskemu vedcovi A. Bussyovi podarilo vyrobiť prvý kovový horčík. Za týmto účelom Bussy spôsobil redukciu roztaveného chloridu horečnatého kovovým draslíkom.

V roku 1833 britský vedec Michael Faraday prvýkrát použil na izoláciu tohto kovu elektrolýzu chloridu horečnatého.

výroba

V roku 1886, nemecká firma Aluminium und Magnesiumfabrik Hemelingen použiť elektrolýzu roztaveného carnalite (MgCl ₂ · KCI · 6H ₂ O) na výrobu horčíka.

Hemelingen v spolupráci s priemyselným komplexom Farbe (IG Farben) uspel vo vývoji techniky výroby veľkého množstva roztaveného chloridu horečnatého pre elektrolýzu na výrobu horčíka a chlóru.

Počas druhej svetovej vojny začali Dow Chemical Company (USA) a Magnesium Elektron LTD (UK) elektrolytickú redukciu morskej vody; čerpaná z Galvestonského zálivu v Texase av Severnom mori do Hartlepoolu v Anglicku na výrobu horčíka.

Zároveň Ontario (Kanada) vytvára techniku ​​na jej výrobu na základe procesu LM Pidgeona. Táto technika spočíva v tepelnej redukcii oxidu horečnatého silikátmi v externe vyhorených retortoch.

Štruktúra a elektrónová konfigurácia horčíka

Horčík kryštalizuje v kompaktnej hexagonálnej štruktúre, kde je každý z jeho atómov obklopený dvanástimi susedmi. Vďaka tomu je hustejšia ako iné kovy, napríklad lítium alebo sodík.

Jeho elektronická konfigurácia je 3s ² , s dvoma valenčnými elektrónmi a desiatimi vnútornými obalmi. Tým, že má v porovnaní so sodíkom ďalší elektrón, jeho kovová väzba sa stáva silnejšou.

Dôvodom je, že atóm je menší a jeho jadro má ešte jeden protón; preto majú väčší príťažlivý účinok na elektróny susedných atómov, ktoré zmenšujú vzdialenosti medzi nimi. Tiež, pretože existujú dva elektróny, výsledný pás 3 s je plný a je schopný cítiť ešte viac príťažlivosť jadier.

Potom sa atómy horčíka nakoniec uložia na hustý hexagonálny kryštál so silnou kovovou väzbou. To vysvetľuje jeho oveľa vyššiu teplotu topenia (650 ° C) ako teplotu sodíka (98 ° C).

Všetky 3 orbitaly všetkých atómov a ich dvanásť susedov sa prekrývajú vo všetkých smeroch v kryštáli a oba elektróny odchádzajú, keď prídu ďalší dvaja; tak ďalej, bez toho, aby mohli vznikať katióny Mg2 ⁺ .

Oxidačné čísla

Horčík môže stratiť dva elektróny, keď vytvára zlúčeniny a stáva sa katiónom Mg2 ⁺ , ktorý je izoelektronický pre neón vzácneho plynu. Keď sa uvažuje o jeho prítomnosti v akejkoľvek zlúčenine, oxidačné číslo horčíka je +2.

Na druhej strane, aj keď je menej bežný, sa môže tvoriť katión Mg ⁺ , ktorý stratil iba jeden zo svojich dvoch elektrónov a je izoelektrický voči sodíku. Ak sa predpokladá, že je prítomná v zlúčenine, potom sa uvádza, že horčík má oxidačné číslo +1.

vlastnosti

Fyzický vzhľad

Brilantná biela tuhá látka v čistom stave pred oxidáciou alebo reakciou s vlhkým vzduchom.

Atómová hmota

24,304 g / mol.

Bod topenia

650 ° C

Bod varu

1 091 ° C

Hustota

1,738 g / cm ³ pri teplote miestnosti. Y 1,584 g / cm ³ pri teplote topenia; to znamená, že kvapalná fáza je menej hustá ako tuhá fáza, ako je to v prípade veľkej väčšiny zlúčenín alebo látok.

Teplo fúzie

848 kJ / mol.

Odparovacie teplo

128 kJ / mol.

Molárna kalorická kapacita

24,869 J / (mol.K).

Tlak vodnej pary

Pri 701 K: 1 Pa; to znamená, že jeho tlak pary je veľmi nízky.

electronegativity

1,31 v Paulingovej stupnici.

Ionizačná energia

Prvá úroveň ionizácie: 1 737,2 kJ / mol (Mg ⁺ plyn)

Druhá úroveň ionizácie: 1 450,7 kJ / mol ( plyn Mg2 ⁺ a vyžaduje menej energie)

Tretia úroveň ionizácie: 7 732,7 kJ / mol ( plyn Mg ³⁺ a vyžaduje veľa energie).

Atómové rádio

160 pm.

Kovalentný polomer

141 ± 17 hod

Atómový objem

13,97 cm ³ / mol.

Tepelná rozťažnosť

24,8 µm / m · K pri 25 ° C

Tepelná vodivosť

156 W / m K.

Elektrický odpor

43,9 nΩ · m pri 20 ° C

Elektrická vodivosť

22,4 x 10 ⁶ S cm ³ .

tvrdosť

2,5 na Mohsovej stupnici.

názvoslovie

Kovový horčík nemá iné priradené názvy. Jeho zlúčeniny, pretože sa predpokladá, že vo väčšine prípadov majú oxidačné číslo +2, sa uvádzajú podľa skladovej nomenklatúry bez toho, aby bolo potrebné uvedené číslo uvádzať v zátvorkách.

Napríklad MgO je oxid horečnatý a nie oxid horečnatý. Podľa systematickej nomenklatúry je predchádzajúcou zlúčeninou: oxid horečnatý a nie monomagnéziummonoxid.

Na strane tradičnej nomenklatúry sa to isté deje aj so skladovou nomenklatúrou: názvy zlúčenín končia rovnakým spôsobom; to znamená s príponou –ico. Podľa tejto nomenklatúry je teda MgO oxidom horečnatým.

Inak môžu alebo nemusia mať iné zlúčeniny bežné alebo mineralogické názvy alebo pozostávať z organických molekúl (organohorečnaté zlúčeniny), ktorých nomenklatúra závisí od molekulovej štruktúry a alkylových (R) alebo arylových (Ar) substituentov.

Pokiaľ ide o organohorečnaté zlúčeniny, takmer všetky z nich sú Grignardove činidlá so všeobecným vzorcom RMgX. Napríklad BrMgCH ₃ je methylmagnesiumbromid. Všimnite si, že nomenklatúra sa pri prvom kontakte nejaví tak komplikovaná.

Tvary

zliatiny

Horčík sa používa v zliatinách, pretože ide o ľahký kov, ktorý sa používa hlavne v zliatinách s hliníkom, čo zlepšuje mechanické vlastnosti tohto kovu. Používa sa tiež v zliatinách so železom.

Jeho použitie v zliatinách sa však znížilo v dôsledku tendencie korózie pri vysokých teplotách.

Minerály a zlúčeniny

Vďaka svojej reaktivite sa nenachádza v zemskej kôre v jej natívnej alebo elementárnej forme. Skôr je súčasťou mnohých chemických zlúčenín, ktoré sa nachádzajú v asi 60 známych mineráloch.

Medzi najbežnejšie minerály horčíka patria:

-Dolomite, uhličitan vápnika a horčíka, MgCO ₃ CaCO ₃

-Magnesite, uhličitan horečnatý, CaCO ₃

-Brucit, hydroxid horečnatý, Mg (OH) ₂

-carnalite, chlorid draselný horečnatý, MgCI ₂ · KCI · H ₂ O.

Môže byť tiež vo forme iných minerálov, ako napríklad:

-Kieserite, síran horečnatý, síran horečnatý ₄ H ₂ O

-Forsterite, kremičitan horečnatý, MgSiO ₄

-Chrisotyl alebo azbest, iný kremičitan horečnatý, Mg ₃ Si ₂ O ₅ (OH) ₄

-Talc, Mg ₃ Si ₁₄ O ₁₁₀ (OH) ₂ .

izotopy

Horčík sa v prírode vyskytuje ako kombinácia troch prírodných izotopov: ²⁴ Mg, so 79% hojnosťou; ²⁵ Mg, s 11% hojnosťou; a ²⁶ Mg, s 10% hojnosťou. Okrem toho existuje 19 umelých rádioaktívnych izotopov.

Biologická úloha

glykolýza

Horčík je nevyhnutným prvkom všetkých živých vecí. Ľudia majú denný príjem 300 - 400 mg horčíka. Jeho telesný obsah sa pohybuje medzi 22 a 26 g, u dospelého človeka koncentrovaného hlavne v kostnej kostre (60%).

Glykolýza je sekvencia reakcií, pri ktorej sa glukóza transformuje na kyselinu pyruvátovú s čistou produkciou 2 molekúl ATP. Pyruvátkináza, hexokináza a fosfhofruktázová kináza sú okrem iného enzýmy glykolýzy, ktoré ako aktivátor používajú Mg.

DNA

DNA je tvorená dvoma nukleotidovými reťazcami, ktoré majú vo svojej štruktúre negatívne nabité fosfátové skupiny; preto sa vlákna DNA podrobujú elektrostatickému odpudzovaniu. Ióny Na ⁺ , K ⁺ a Mg2 ⁺ neutralizujú záporné náboje, čím bránia disociácii reťazcov.

ATP

Molekula ATP má fosfátové skupiny so záporne nabitými atómami kyslíka. Medzi susednými atómami kyslíka dochádza k elektrickému odpudzovaniu, ktoré by mohlo štiepiť molekulu ATP.

Toto sa nestane, pretože horčík interaguje so susednými atómami kyslíka a vytvára chelát. Uvádza sa, že ATP-Mg je aktívna forma ATP.

fotosyntéza

Horčík je nevyhnutný pre fotosyntézu, ústredný proces pri využívaní energie rastlinami. Je súčasťou chlorofylu, ktorý má vo svojom vnútri štruktúru podobnú hemovej skupine hemoglobínu; ale s atómom horčíka v strede namiesto atómu železa.

Chlorofyl absorbuje svetelnú energiu a používa ju vo fotosyntéze na premenu oxidu uhličitého a vody na glukózu a kyslík. Glukóza a kyslík sa neskôr používajú pri výrobe energie.

organizmus

Zníženie koncentrácie horčíka v plazme je spojené so svalovými kŕčmi; kardiovaskulárne ochorenia, ako je hypertenzia; cukrovka, osteoporóza a iné choroby.

Horčík ión sa podieľa na regulácii fungovania vápnikových kanálov v nervových bunkách. Pri vysokých koncentráciách blokuje vápnikový kanál. Naopak, zníženie vápnika vedie k aktivácii nervu tým, že vápniku umožňuje vstup do buniek.

To by vysvetľovalo kŕče a kontrakcie svalových buniek v stenách hlavných krvných ciev.

Kde hľadať a produkovať

Horčík sa v prírode nenachádza v elementárnom stave, ale je súčasťou približne 60 minerálov a mnohých zlúčenín, ktoré sa nachádzajú v mori, horninách a soľankách.

Koncentrácia horčíka v mori je 0,13%. More je vďaka svojej veľkosti hlavným zásobníkom horčíka na svete. Ďalšími rezervoármi horčíka sú Great Salt Lake (USA) s koncentráciou horčíka 1,1% a Mŕtve more s koncentráciou 3,4%.

Horčíkové minerály, dolomit a magnezit, sa získavajú z jeho žíl tradičnými metódami ťažby. Medzitým sa v roztokoch karnalitu používajú také roztoky, ktoré umožňujú, aby ostatné soli stúpali na povrch, pričom karnalit zostane v pozadí.

Soľníky obsahujúce horčík sa koncentrujú v rybníkoch pomocou solárneho ohrevu.

Horčík sa získava dvoma spôsobmi: elektrolýzou a tepelnou redukciou (Pidgeonov proces).

elektrolýza

Pri elektrolytických procesoch sa používajú roztavené soli obsahujúce buď bezvodý chlorid horečnatý, čiastočne dehydrovaný bezvodý chlorid horečnatý alebo minerálny bezvodý karnalit. V niektorých prípadoch sa používa umelý, aby sa zabránilo kontaminácii prírodného karnalitu.

Chlorid horečnatý sa môže získať aj podľa postupu navrhnutého spoločnosťou Dow. Voda sa vo vločkovači zmieša s mierne kalcinovaným minerálnym dolomitom.

Chlorid horečnatý prítomný v zmesi sa premení na Mg (OH) ₂ pridaním hydroxidu vápenatého podľa nasledujúcej reakcie:

MgCl ₂ + Ca (OH) ₂ → Mg (OH) ₂ + CaCl ₂

Vyzrážaný hydroxid horečnatý sa spracuje s kyselinou chlorovodíkovou za vzniku chloridu horečnatého a vody podľa naznačenej chemickej reakcie:

Mg (OH) ₂ + 2 HCl → MgCl ₂ + 2 H ₂ O

Potom sa chlorid horečnatý podrobí dehydratácii, až kým nedosiahne 25% hydratáciu, čím sa dehydratácia dokončí počas procesu tavenia. Elektrolýza sa uskutočňuje pri teplote, ktorá sa pohybuje medzi 680 až 750 ° C.

MgCl ₂ → Mg + Cl ₂

Na anóde sa vytvára kremelina a roztavený horčík sa vznáša na vrchol solí, kde sa zhromažďuje.

Tepelná redukcia

Kryštály horčíka sa usadili zo svojich pár. Zdroj: Warut Roonguthai V Pidgeonovom procese sa mletý a kalcinovaný dolomit zmieša s jemne mletým ferosilícium a umiestni sa do valcovitých retort niklu, chrómu a železa. Retorty sú umiestnené vo vnútri rúry a sú v sérii s kondenzátormi umiestnenými mimo rúry.

Reakcia prebieha pri teplote 1200 ° C a nízkom tlaku 13 Pa. Kryštály horčíka sa z kondenzátorov odstránia. Vytvorená troska sa zhromažďuje zo spodnej časti retortov.

2 CaO + MgO + 2 Si → 2 Mg (plynného) + Ca ₂ SiO ₄ (troska)

Oxidy vápnika a horčíka sa vyrábajú kalcináciou uhličitanov vápenatých a horečnatých prítomných v dolomitoch.

reakcie

Horčík prudko reaguje s kyselinami, najmä s oxokyselinami. Jeho reakciou s kyselinou dusičnou sa získa dusičnan horečnatý, Mg (NO ₃ ) ₂ . Rovnakým spôsobom reaguje s kyselinou chlorovodíkovou za vzniku chloridu horečnatého a plynného vodíka.

Horčík nereaguje s alkáliami, ako je hydroxid sodný. Pri izbovej teplote je pokrytá vrstvou oxidu horečnatého nerozpustného vo vode, ktorá ho chráni pred koróziou.

Tvorí okrem iných prvkov chemické zlúčeniny s chlórom, kyslíkom, dusíkom a sírou. Pri vysokých teplotách je vysoko reaktívny s kyslíkom.

aplikácia

- Elementárny horčík

zliatiny

Zliatiny horčíka sa používajú v lietadlách a automobiloch. Posledne menované majú požiadavku na kontrolu emisií znečisťujúcich plynov, zníženie hmotnosti motorových vozidiel.

Aplikácia horčíka je založená na jeho nízkej hmotnosti, vysokej pevnosti a ľahkosti výroby zliatin. Aplikácie zahŕňajú ručné náradie, športové potreby, fotoaparáty, prístroje, rámy batožiny, autodiely, predmety pre letecký priemysel.

Zliatiny horčíka sa tiež používajú pri výrobe lietadiel, rakiet a vesmírnych satelitov, ako aj pri leptaní na výrobu rýchleho a kontrolovaného rytia.

hutníctvo

Horčík sa pridáva v malom množstve do liateho bieleho železa, čo zlepšuje jeho pevnosť a poddajnosť. Okrem toho sa do tekutého vysokopecného železa vstrekuje horčík zmiešaný s vápnom, čím sa zlepšujú mechanické vlastnosti ocele.

Horčík sa podieľa na výrobe titánu, uránu a hafnia. Pôsobí ako redukčné činidlo na chlorid titaničitý, pri Krollovom procese, za vzniku titánu.

elektrochémia

Horčík sa používa v suchej komore, ktorá pôsobí ako anóda a chlorid strieborný ako katóda. Keď horčík príde do kontaktu s oceľou v prítomnosti vody, obetuje ju koróziu a oceľ zostane neporušená.

Tento typ ochrany ocele sa vyskytuje v lodiach, skladovacích nádržiach, ohrievačoch vody, mostných konštrukciách atď.

ohňostroj

Horčík vo forme prášku alebo pásikov horí a vyžaruje veľmi intenzívne biele svetlo. Táto vlastnosť bola použitá vo vojenských pyrotechnikách na zapálenie požiaru alebo osvetlenie svetlice.

Jeho jemne rozptýlená tuhá látka sa používa ako palivová zložka, najmä v pohonných látkach na tuhé palivo.

- Zlúčeniny

Uhličitan horečnatý

Používa sa ako tepelný izolátor pre kotly a potrubia. Pretože je hygroskopický a rozpustný vo vode, používa sa na zabránenie zhutňovania zvyčajnej soli v trepačkách solí a počas korenia jedla nepreteká správne.

Hydroxid horečnatý

Má použitie ako retardér horenia. Rozpúšťa sa vo vode a tvorí známe mlieko magnézia, belavú suspenziu, ktorá sa používa ako antacidum a preháňadlo.

Chlorid horečnatý

Používa sa pri výrobe vysokopevnostných podlahových cementov a tiež ako prísada pri výrobe textílií. Okrem toho sa používa ako vločkovacie činidlo v sójovom mlieku na výrobu tofu.

Oxid horečnatý

Používa sa pri výrobe žiaruvzdorných tehál odolávajúcich vysokým teplotám a ako tepelný a elektrický izolátor. Používa sa tiež ako preháňadlo a antacidum.

Síran horečnatý

Priemyselne sa používa na výrobu cementu a hnojív, činenie a farbenie. Je to aj sušidlo. Epsom soľ, MgSO ₄ · 7H ₂ O, sa používa ako preháňadlo.

- Minerály

mastencový prášok

V Mohsovej stupnici sa považuje za najmenší štandard tvrdosti (1). Slúži ako výplň pri výrobe papiera a lepenky, rovnako ako zabraňuje podráždeniu a hydratácii pokožky. Používa sa pri výrobe tepelne odolných materiálov a ako základ mnohých práškov používaných v kozmetike.

Chryzotil alebo azbest

Používa sa ako tepelný izolátor a v stavebníctve na výrobu stropov. V súčasnosti sa nepoužíva kvôli vláknam rakoviny pľúc.

Referencie

1. Mathews, CK, van Holde, KE a Ahern, KG (2002). Biochémie. 3 ^bolo vydanie. Editorial Pearson Educación, SA
2. Wikipedia. (2019). Horčík. Obnovené z: en.wikipedia.org
3. Clark J. (2012). Kovové lepenie. Získané z: chemguide.co.uk
4. Hull AW (1917). Kryštalická štruktúra horčíka. Zborník Národnej akadémie vied Spojených štátov amerických, 3 (7), 470 - 473. doi: 10,1073 / pnas.3.7.470
5. Timothy P. Hanusa. (7. februára 2019). Horčík. Encyclopædia Britannica. Získané z: britannica.com
6. Hangzhou LookChem Network Technology Co. (2008). Horčík. Obnovené z: lookchem.com