Наука, которая изучает эти элементы, — химия. Таблица Менделеева, опираясь на которую можно изучать данную науку, показывает нам, что протонов и нейтронов, содержащихся в атоме магния, по двенадцать. Это можно определить по порядковому номеру (он равен количеству протонов, а электронов будет столько же, если это нейтральный атом, а не ион).
Химические особенности магния также изучает химия. Таблица Менделеева также необходима для их рассмотрения, так как она показывает нам валентность элемента (в данном случае она равняется двум). Она зависит от группы, к которой относится атом. Кроме того, с ее помощью можно узнать, что молярная масса магния равняется двадцати четырем. То есть один моль данного металла весит двадцать четыре грамма. Формула магния очень проста — он состоит не из молекул, а из атомов, объединенных кристаллической решеткой.
Характеристика магния с точки зрения физики
Как и все металлы, кроме ртути, данное соединение имеет твердое агрегатное состояние в нормальных условиях. Оно обладает светло-серой окраской со своеобразным блеском. Данный металл имеет довольно высокую прочность. На этом физическая характеристика магния не заканчивается.
Рассмотрим температуру плавления и кипения. Первая равняется шестисот пятидесяти градусам по шкале Цельсия, вторая составляет тысяча девяносто градусов Цельсия. Можно сделать вывод, что это достаточно легкоплавкий металл. Кроме того, он очень легкий: его плотность — 1,7 г/см3.
Магний. Химия
Зная физические особенности данного вещества, можно перейти ко второй части его характеристики. Данный металл обладает средним уровнем активности. Это можно увидеть из электрохимического ряда металлов — чем пассивнее он, тем правее находится. Магний является одним из первых слева. Рассмотрим по порядку, с какими веществами он реагирует и как это происходит.
С простыми
К таковым относятся те, молекулы которых состоят только из одного химического элемента. Это и кислород, и фисфор, и сера, и многие другие. Сначала рассмотрим взаимодействие с оксигеном. Оно называется горением. При этом образуется оксид данного металла. Если сжечь два моля магния, потратив при этом один моль кислорода, получим два моля оксида. Уравнение данной реакции записывается следующим образом: 2Mg + О 2 = 2MgO. Кроме того, при горении магния на открытом воздухе образуется также его нитрид, так как данный металл параллельно реагирует с азотом, содержащимся в атмосфере.
При сжигании трех молей магния тратится один моль нитрогена, и в результате получаем один моль нитрида рассматриваемого металла. Уравнение такого рода химического взаимодействия можно записать таким образом: 3Mg + N 2 = Mg 3 N 2 .
Кроме того, магний способен реагировать и с другими простыми веществами, такими как галогены. Взаимодействие с ними происходит только при условии нагревания компонентов до очень высоких температур. В таком случае происходит реакция присоединения. К галогенам относятся такие простые вещества: хлор, йод, бром, фтор. И реакции называются соответствующе: хлорирование, йодирование, бромирование, фторирование. Как уже можно было догадаться, в результате таких взаимодействий можно получить хлорид, йодид, бромид, фторид магния. К примеру, если взять один моль магния и столько же йода, получим один моль йодида данного металла. Выразить эту химическую реакцию можно с помощью следующего уравнения: Mg + І 2 = MgI 2 . По такому же принципу проводится и хлорирование. Вот уравнение реакции: Mg + Cl 2 = MgCl 2 .
Кроме этого, металлы, в том числе и магний, реагируют с фосфором и серой. В первом случае можно получить фосфид, во втором — сульфид (не путать с фосфатами и сульфатами!). Если взять три моля магния, добавить к нему два моля фосфора и разогреть до нужной температуры, образуется один моль фосфида рассматриваемого металла. Уравнение данной химической реакции выглядит следующим образом: 3Mg + 2Р = Mg 3 P 2 . Точно так же, если смешать магний и серу в одинаковых молярных пропорциях и создать необходимые условия в виде высокой температуры, получим сульфид данного металла. Уравнение подобного химического взаимодействия можно записать так: Mg + S = MgS. Вот мы и рассмотрели реакции этого металла с другими простыми веществами. Но химическая характеристика магния на этом не заканчивается.
Реакции со сложными соединениями
К таким веществам относятся вода, соли, кислоты. С разными группами металлы реагируют по-разному. Рассмотрим все по порядку.
Магний и вода
При взаимодействии данного металла с самым распространенным химическим соединением на Земле образуется оксид и водород в виде газа с резким неприятным запахом. Для проведения такого рода реакции компоненты также нужно нагреть. Если смешать по одному молю магния и воды, получим по столько же оксида и водорода. Уравнение реакции записывается следующим образом: Mg + Н 2 О = MgO + Н 2 .
Взаимодействие с кислотами
Как и другие химически активные металлы, магний способен вытеснять атомы гидрогена из их соединений. Такого рода процессы называются В таких случаях происходит замена атомами металлов атомов гидрогена и формирование соли, состоящей из магния (или другого элемента) и кислотного осадка. Например, если взять один моль магния и добавить его к в количестве два моля, образуется один моль хлорида рассматриваемого металла и столько же водорода. Уравнение реакции будет выглядеть так: Mg + 2HCl = MgCl 2 + Н 2 .
Взаимодействие с солями
Как из кислот образуются соли, мы уже рассказали, но характеристика магния с точки зрения химии подразумевает и рассмотрение его реакций с солями. В данном случае взаимодействие может произойти, только если металл, входящий в состав соли, менее активен, чем магний. К примеру, если взять по одному молю магния и сульфата меди, получим сульфат рассматриваемого металла и чистую медь в равном молярном соотношении. Уравнение такого рода реакции можно записать в следующем виде: Mg + CuSO 4 = MgSO 4 + Cu. Здесь проявляются восстановительные свойства магния.
Применение данного металла
Благодаря тому что он по многим параметрам превосходит алюминий — легче его приблизительно в три раза, но при этом в два раза прочнее, он получил широкое распространение в различных отраслях промышленности. В первую очередь это авиастроение. Здесь сплавы на основе магния занимают первое место по популярности среди всех используемых материалов. Кроме того, он используется в химической промышленности в качестве восстановителя для добывания некоторых металлов из их соединений. Благодаря тому что при горении магний образует очень мощную вспышку, его используют в военной промышленности для изготовления сигнальных ракет, светошумовых боеприпасов и др.
Получение магния
В основном сырьем для этого служит хлорид рассматриваемого металла. Делается это путем электролиза.
Качественная реакция на катионы данного металла
Это специальная процедура, предназначенная для того, чтобы определить присутствие ионов какого-либо вещества. Чтобы протестировать раствор на наличие соединений магния, можно добавить к нему карбонат калия или натрия. В результате образуется белый осадок, который легко растворяется в кислотах.
Где этот металл можно найти в природе?
Данный химический элемент является довольно распространенным в природе. Земная кора почти на два процента состоит из этого металла. Он встречается в составе многих минералов, таких как карналлит, магнезит, доломит, тальк, асбест. Формула первого минерала выглядит так: KCl.MgCl 2 .6Н 2 О. Он выглядит как кристаллы голубоватого, бледно-розового, блекло-красного, светло-желтого либо прозрачного цвета.
Магнезит — это его химическая формула — MgCO 3 . Он имеет белую окраску, но в зависимости от примесей, может иметь серый, бурый или желтый оттенок. Доломит имеет следующую химическую формулу: MgCO 3 .СаСО 3 . Это желтовато-серый либо минерал, обладающий стеклянным блеском.
Тальк и асбест имеют более сложные формулы: 3MgO.4SiO 2 .Н 2 О и 3MgO.2SiO 2 .2Н 2 О соответственно. Благодаря своей высокой жароустойчивости они широко используются в промышленности. Кроме того, магний входит в химический состав клетки и структуру многих органических веществ. Это мы рассмотрим подробнее.
Роль магния для организма
Данный химический элемент важен как для растительных, так и для животных существ. Магний для организма растений просто жизненно необходим. Так же, как железо является основой гемоглобина, нужного для жизни животных, так магний представляет собой главный компонент хлорофилла, без которого не может существовать растение. Данный пигмент участвует в процессе фотосинтеза, при котором в листьях синтезируются из неорганических соединений питательные вещества.
Магний для организма животных также очень нужен. Массовая доля данного микроэлемента в клетке — 0,02-0,03%. Несмотря на то что его так мало, он выполняет очень важные функции. Благодаря ему поддерживается структура таких органоидов, как митохондрии, отвечающие за клеточное дыхание и синтез энергии, а также рибосомы, в которых образуются белки, необходимые для жизнедеятельности. Кроме того, он входит в химический состав многих ферментов, которые нужны для внутриклеточного обмена веществ и синтеза ДНК.
Для организма в целом магний необходим, чтобы принимать участие в обмене глюкозы, жиров и некоторых аминокислот. Также с помощью данного микроэлемента может передаваться нервный сигнал. Кроме всего вышеперечисленного, достаточное содержание магния в организме снижает риск сердечных приступов, инфарктов и инсультов.
Симптомы повышенного и пониженного содержания в организме человека
Недостаток магния в организме проявляется такими основными признаками, как повышенное артериальное давление, усталость и низкая работоспособность, раздражительность и плохой сон, ухудшение памяти, частое головокружение. Также может наблюдаться тошнота, судороги, дрожь в пальцах, спутанность сознания — это признаки очень пониженного уровня поступления с едой данного микроэлемента.
Недостаток магния в организме приводит к частым респираторным заболеваниям, нарушениям в работе сердечно-сосудистой системы, а также диабету второго типа. Далее рассмотрим содержание магния в продуктах. Чтобы избежать его недостатка, нужно знать, какая еда богата данным химическим элементом. Нужно учитывать еще и то, что многие из этих симптомов могут проявляться и при обратном случае - избытке магния в организме, а также при недостатке таких микроэлементов, как калий и натрий. Поэтому важно внимательно пересмотреть свой рацион и разобраться в сути проблемы, лучше всего это сделать с помощью специалиста-диетолога.
Как было упомянуто выше, данный элемент является основной составляющей хлорофилла. Поэтому можно догадаться, что большое его количество содержится в зелени: это сельдерей, укроп, петрушка, цветная и белокочанная капуста, листья салата и т. д. Также это многие крупы, в особенности гречка и пшено, а еще овсянка и ячневая. Кроме того, данным микроэлементом богаты орехи: это и кешью, и грецкий орех, и арахис, и фундук, и миндаль. Также большое количество рассматриваемого металла содержится в бобовых, таких как фасоль и горох.
Немало его содержится и в составе водорослей, к примеру в морской капусте. Если употребление данных продуктов происходит в нормальном количестве, то ваш организм не будет испытывать недостатка в рассмотренном в этой статье металле. Если же у вас нет возможности регулярно кушать еду, перечисленную выше, то лучше всего приобрести пищевые добавки, в состав которых входит этот микроэлемент. Однако перед этим нужно обязательно проконсультироваться с врачом.
Вывод
Магний - один из самых важных металлов в мире. Он нашел широкое применение в многочисленных отраслях промышленности - от химической до авиационной и военной. Более того, он очень важен с биологической точки зрения. Без него невозможно существование ни растительных, ни животных организмов. Благодаря данному химическому элементу, осуществляется процесс, дающий жизнь всей планете, - фотосинтез.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Магний - двенадцатый элемент Периодической таблицы. Обозначение - Mg от латинского «magnesium». Расположен втретьем периоде, IIА группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 12.
Магний весьма распространен в природе. В больших количествах он встречается в виде карбоната магния, образуя минералы магнезит MgCO 3 и доломит MgCO 3 ×CaCO 3 . Сульфат и хлорид магния входят в состав минералов каинита KCl×MgSO 4 ×3H 2 O и карналлита KCl×MgCl 2 ×6H 2 O. Ион Mg 2+ содержится в морской воде, сообщая ей горький вкус. Общее количество магния в земной коре составляет около 2% (масс.).
В виде простого вещества магний представляет собой серебристо-белый (рис. 1), очень легкий металл. На воздухе он мало изменяется, так как быстро покрывается тонким слоем оксида, защищающего его от дальнейшего окисления.
Рис. 1. Магний. Внешний вид.
Атомная и молекулярная масса магния
Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.
Поскольку в свободном состоянии магний существует в виде одноатомных молекул Mg, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 24,304.
Изотопы магния
Известно, что в природе магний может находиться в виде трех стабильных изотопов 24 Mg (23,99%), 25 Mg (24,99%) и 26 Mg (25,98%). Их массовые числа равны 24, 25 и 26 соответственно. Ядро атома изотопа магния 24 Mg содержит двенадцать протонов и двенадцать нейтронов, а изотопов 25 Mg и 26 Mg- такое же количество протонов, тринадцать и четырнадцать нейтронов соответственно.
Существуют искусственные изотопы магния с массовыми числами от 5-ти до 23-х и от 27-ми до 40-ка.
Ионы магния
На внешнем энергетическом уровне атома магния имеется два электрона, которые являются валентными:
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 .
В результате химического взаимодействия маний отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:
Mg 0 -2e → Mg 2+ .
Молекула и атом магния
В свободном состоянии магний существует в виде одноатомных молекул Mg. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу магния:
Сплавы магния
Главная область применения металлического магния - это получение на его основе различных легких сплавов. Прибавка к магнию небольших количеств других металлов резко изменяет его механические свойства, сообщая сплаву значительную твердость, прочность и сопротивляемость коррозии.
Особенно ценными свойствами обладают сплавы, называемые электронами. Они относятся к трем системам: Mg-Al-Zn, Mg-Mn и Mg-Zn-Zr. Наиболее широкое применение имеют сплавы системы Mg-Al-Zn, содержащие от 3 до 10% алюминия и от 0,2 до 3% цинка. Достоинством магниевых сплавов является их малая плотность (около 1,8 г/см 3).
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
Магний - серебристо-белый блестящий металл, сравнительно мягкий и пластичный, хороший проводник тепла и электричества. Почти в 5 раз легче меди, в 4,5 раза легче железа; даже алюминий в 1,5 раза тяжелее магния. Плавится магний при темпратуре 651 о С, но в обычных условиях расплавить его довольно трудно: нагретый на воздухе до 550 о С он вспыхивает и мгновенно сгорает ослепительно ярким пламенем. Полоску магниевой фольги легко поджечь обыкновенной спичкой, а в атмосфере хлора магний самовозгорается даже при комнатной температуре. При горении магния выделяется большое количество ультрафиолетовых лучей и тепла - чтобы нагреть стакан ледяной воды до кипения, нужно сжечь всего 4 г магния.
Магний расположен в главной подгрупп второй группы периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Порядковый номер его - 12, атомный вес - 24,312. Электронная конфигурация атома магния в невозбужденном состоянии 1S 2 2S 2 P 6 3S 2 ; валентными являются электроны наружного слоя, в соответствии с этим магний проявляет валентность II. В тесной связи со строением электронных оболочек атома магния находится его реакционная способность. Из-за наличия на внешней оболочке только двух электронов атом магния склонен легко отдавать их для получения устойчивой восьмиэлектронной конфигурации; поэтому магний в химическом отношении очень активен.
На воздухе магний окисляется, но образующаяся при этом окисная пленка предохраняет металл от дальнейшего окисления. Нормальный электронный потенциал магния в кислой среде равен -2,37в, в щелочной - 2,69в. В разбавленных кислотах магний растворяется уже на холоде. Во фтористоводородной кислоте нерастворим вследствие образования пленки из труднорастворимого в воде фторида MgF 2 ; в концентрированной серной кислоте почти нерастворим. Магний легко растворяется при действии растворов солей аммония. Растворы щелочей на него не действуют. Магний поступает в лаборатории в виде порошка или лент. Если поджечь магниевю ленту, то она быстро сгорает с ослепительной вспышкой, развивая высокую температуру. Магниевые вспышки применяют в фотографии, в изготовлении осветительных ракет. Температура кипения магния 1107 о С, плотность = 1,74 г/см 3 , радиус атома 1,60 НМ.
Химические свойства магния.
Химические свойства магния довольно своеобразны. Он легко отнимает кислород и хлор у большинства элементов, не боится едких щелочей, соды, керосина, бензина и минеральных масел. С холодной водой магний почти не взаимодействует, но при нагревании разлагает ее с выделением водорода. В этом отношении он занимает промежуточное положение между бериллием, который вообще с водой не реагирует и кальцием, легко с ней взаимодействующим. Особенно интенсивно идет реакция с водяным паром, нагретым выше 380 о С:
Mg 0 (тв)+H 2 + O(газ) Mg +2 O(тв)+H 2 0 (газ).
Поскольку продуктом этой реакции является водород ясно, что тушение горящего магния водой недопустимо: может произойти образование гремучей смеси водорода с кислородом и взрыв. Нельзя потушить горящий магний и углекислым газом: магний восстанавливает его до свободного углерода -4е
2Mg 0 + C +4 O 2 2Mg +2 O+C 0 ,
Прекратить к горящему магнию доступ кислорода можно засыпав его песком, хотя и с оксидом кремния (IV) магний взаимодействует, но со значительно меньшим выделением теплоты:
2Mg 0 + Si +4 O 2 =2Mg +2 O+Si 0
этим и определяется возможность использования песка для тушения кремния. Опасность возгорания магния при интенсивном нагреве одна из причин, по которым его использование как технического материала ограничена.
В электрохимическом ряду напряжений магний стоит значительно левее водорода и активно реагирует с разбавленными кислотами с образованием солей. В этих реакциях есть у магния особенности. Он не растворяется во фтороводородной, концентрированной серной и в смеси серной и в смеси азотной кислот, растворяющей другие металлы почти столь же эффективно, как "царская водка" (смесь HCl и HNO 3). Устойчивость магния к растворению во фтороводородной кислоте объясняется просто: поверхность магния покрывается нерастворимой во фтороводородной кислоте пленкой фторида магния MgF 2 . Устойчивость магния к достаточно концентрированной серной кислоте и смеси ее с азотной кислотой объяснить сложнее, хотя и в этом случае причина кроется в пассивации поверхности магния. С растворами щелочей и гидроксида аммония магний практически не взаимодействует.
Удивительного в этой реакции нет. Эта реакция та же по существу, что и реакция вытеснения металлами водорода из кислот. В одном из определений кислотой называют вещество, диссоциирующее с образованием ионов водорода.
При нагревании магния в атмосфере галогенов происходит воспламенение и образование галоидных солей.
Причина воспламенения - очень большое тепловыделение, как и в случае реакции магния с кислородом. Так при образовании 1 моль хлорида магния из магния и хлора выделяется 642 КДж. При нагревании магний соединяется с серой (MgS), и с азотом (Mg 3 N 2). При повышенном давлении и нагревании с водородом магний образует гидрид магния
Большое сродство магния к хлору позволило создать новое металлургическое производство - "магниетермию" - получение металлов в результате реакции
MeCln+0,5nMg=Me+0,5nMgCl 2
этим методом получают металлы, играющие очень важную роль в современной технике - цирконий, хром, торий, бериллий. Легкий и прочный "металл космической эры" - титан практически весь получают таким способом.
Сущность производства сводится к следующему: при получении металлического магния электролизом расплава хлорида магния в качестве побочного продукта образуется хлор. Этот хлор используют для получения хлорида титана (IV) TiCl 4 , который магнием восстанавливается до металлического титана
Ti +4 Cl 4 + 2Mg 0 Ti 0 +2Mg +2 Cl 2
Образовавшийся хлорид магния вновь используется для производства магния и т.д. На основе этих реакций работают титаномагниевые комбинаты. Попутно с титаном и магнием получают при этом и другие продукты, такие, как бертолетову соль KClO 3 , хлор, бром и изделия - фибролитовые и ксилитовые плиты, о которых будет сказано ниже. В таком комплексном производстве степень использования сырья, рентабельность производства высока, а масса отходов не велика, что особенно важно для охраны окружающей среды от загрязнений.
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ 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 Mgнужно отметить оксид магнияMgO, 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 Oи асбестCaO*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 XXстолетия 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.
Магний был впервые обнаружен в районе Фессалия, Греция, и назван Магнезия. Это третий самый распространенный металлический элемент в земной коре, однако он редко в чистом виде из-за того, что легко образует связи с другими элементами. Металлический магний впервые был получен из руды в 1808 году в небольших количествах сэром Хамфри Дэви, а промышленное производство впервые началось в 1886 году в Германии.
Магний является самым легким из всех широко используемых конструкционных материалов с плотностью 1,7 г/см3 (106,13 фунтов /куб.фут), примерно на одну треть легче, чем алюминий и титан, и одна четверть плотности стали. Несмотря на это преимущество, производство первичного магния в 2012 году составило 905 тыс. тонн, только 2,5% производства первичного алюминия (45,2 млн. тонн) и 0,06% производства необработанной стали (1546 млн. тонн). Однако объем производства магния больше, чем титана (211 тыс. тонн).
Небольшие добавки магния в алюминий придают огнестойкость и прочность. Близость магния с серой делает его незаменимым в производстве определенных сортов сырой стали. С помощью магния также восстанавливают металлического титана из тетрахлорида титана в процессе Кролла, а также получают очень качественные сорта чугуна. Вместе на эти четыре сферы приходилось 61% потребления магния в 2012 году. Таким образом, несмотря на свой относительный статус «пескаря» в структуре производства материалов, магний играет центральную роль в изготовлении и использовании конкурирующих металлических продуктов.
Поставки магния
Мировое производство первичного магния, по оценкам Roskill, увеличилось с 499 тыс. тонн в 2002 году до 905 тыс. тонн в 2012 году, среднегодовой темп роста (CAGR) - 6,1%. Производство первичного металла магния ограничивается десятью странами.
Китай продолжает доминировать в производстве первичного металлического магния. Страна произвела более 730 тысяч тонн металла в 2012 году, и на ее долю в этот год пришлось более чем 75% от общего объема поставок. В Китае, однако, имел место сдвиг в производстве. Обильный и дешевый газ в качестве побочного продукта при производстве кокса побудил производителей магния обратить свое внимание на провинцию Шэньси в поисках более высокой прибыли. Это заставило некоторые традиционные магниевые провинции бороться с конкурентами, а в целом в китайской промышленности магния коэффициент использования производственных мощностей едва превышает 50%. Кроме того, в Китае была произведена консолидация в промышленности, и восемь китайских производителей сейчас находятся в топ-10 глобальных производителей.
Несмотря на недавние усилия китайского правительства по консолидации отрасли, большинство китайских производственных мощностей по-прежнему разбросаны на относительно небольших заводах, а консолидация, в основном, происходит на корпоративном уровне. Восемь китайских компаний находятся в топ-10 мировых поставщиков по мощности, которая для каждой превышает 50 тыс. тонн в год, хотя только пять из них в 2011 году произвели более 30 тыс. тонн, а одна закрылась в 2012 году.
Количество компаний с мощностью ниже 50 тыс. тонн, и производством намного меньше, чем 30 тыс. тонн, неизвестно, но Roskill оценивает их число примерно в 50. В совокупности, на эти небольшие заводы пришлось около трети мировых мощностей в 2012 году.
Источник: "Металлический магний: глобальные промышленные рынки и перспективы, 2012 год", Roskill Information Services Ltd.
Несмотря на несколько закрытых предприятий в преддверии спада 2008/09 годов, особенно в Канаде, производство в США, России и Израиля с тех пор увеличилось, хотя и в значительной степени удовлетворяет спрос со стороны растущей промышленности по выпуску металлического титана. Вторичное производство магния более равномерно распространено по всему миру, где США по-прежнему являются переработчиком номер один. Новые заводы по производству первичного магния были открыты в Малайзии и Южной Корее в 2010 году, а Иран должен был последовать их примеру в 2013 году. Ожидаемый запуск электролитического завода Цинхай Солт-Лейк в Китае, мощностью 100 тыс. тонн в год, может еще и изменить расстановку сил в Китае на короткий срок.
Основными производителями первичного магния за пределами Китая являются ВСМПО-Ависма и Соликамский магниевый завод в России; US Magnesium в США; Dead Sea Magnesium в Израиле; Усть-Каменогорский титано-магниевый комбинат в Казахстане; Rima Industrial в Бразилии; CVM Minerals в Малайзии; Magnohrom в Сербии; и POSCO в Южной Корее.
Вторичный магний из переработанных магниевых сплавов, и в качестве компонента переработанных алюминиевых сплавов, является важным источником поставок, в частности, в США, где он составляет около половины от общего объема поставок. Он имеет гораздо меньшее значение в других местах. Мировые мощности и производство вторичного магния (за исключением алюминиевых сплавов, которые образуют цикл с обратной связью) оцениваются Roskill более чем в 200 тыс. тонн в год, при этом около 40% мощностей сосредоточены в США.
Большая часть международной торговли магнием - это экспорт из Китая, на долю которого приходилось половина экспорта необработанного магния (99,8% Mg экспорт необработанной магния в 2012 году. Этот материал в основном импортируют Канада, Япония и Европа. Американский рынок защищен от китайского импорта высокими антидемпинговыми пошлинами, и магний в страну поставляется из Израиля, либо это внутреннее первичное и вторичное производство. По данным Global Trade Atlas, проанализированным Roskill, международная торговля необработанным магния упала с примерно 500 тыс. тонн в 2007 году до 305 тыс. тонн в 2009 году, выросла до 480 тыс. тонн в 2011 году, но немного упала в 2012 году.
Около 50 тыс. тонн отходов и лома было продано в 2012 году (по сравнению с 62 тыс. тонн в 2007 году), и это, в основном, экспорт из Канады, Германии и Австрии и импорт в США, Чехию и Венгрию. Кроме того, примерно 110 тыс. тонн были проданы в 2012 году в виде опилок, стружек, гранул и порошка, при этом, в основном, это экспорт из Китая и импорт в Германию, Турцию и Канаду. Наконец, 37 тыс. тонн кованых изделий были проданы в 2012 году (по сравнению с 46 тыс. тонн в 2011 году), и это, в основном, экспорт из Китая, Австрии и Германии, и импорт в Тайвань, Новую Зеландию и Великобританию.
Спрос на магний
Глобальное видимое потребление (производство + импорт - экспорт) магния, достигло 1050 тыс. тонн в 2007 году, среднегодовой темп роста 8% по сравнению с 630 тыс. тонн, потребленными в 2001 году. Потребление первичного металлического магния сократилось на 7% в 2008 году и еще на 15% в 2009 году, упав ниже 690 тыс. тонн, так как мировой экономический кризис привел к значительному снижению спроса на содержащие магний продукты.
Однако рынок восстановился, превысив уровень 2007 года в 2011 году и показав новый пик спроса в 2012 году. Вторичное использование магния дополнительно увеличило потребление, а общий объем потребления магния превысил 1 млн. тонн в 2007 году и 1,1 млн. тонн в 2012 году.
Китай доминирует в мировом потреблении с объемом в 340 тыс. тонн в 2012 году, 33% от общего объема. Другие крупные рынки для магния - это Северная Америка (23% мирового потребления) и Европа (18%). Россия и Япония также крупные потребители, на их долю в совокупности приходится 12%.
Исторически сложилось так, что алюминиевые сплавы являются основной сферой применения магния во всем мире, хотя в 2012 году объем потребления магния в этой конечной сфере потребления и объем потребления магния в сплавах для литья под давлением сравнялись, при этом на каждую сферу приходилось около 365 тыс. тонн, или 33% от общего объема потребления. Упаковочная промышленность является крупнейшим рынком для магния в алюминиевых сплавах, затем следует транспорт, строительство и потребительские товары длительного пользования.
Автомобильная промышленность на сегодняшний день является крупнейшим потребителем компонентов литого магния. Литье под давлением из магниевого сплава используется для корпусов, узлов, кронштейнов и других компонентов для всех слоев автотранспортных средств. Среднее применение магния на автомобиль в 2012 году было 2,3 кг, а в некоторых моделях достигало 26 кг. Магний применяется в изготовлении литых корпусов для устройств связи (например, мобильные телефоны и смартфоны), ноутбуков, планшетных компьютеров и другого электронного оборудования. Это является второй по величине сферой использования литого магния, после автомобилей.
Производство титановой губки (т.е. сырого металлического титана) было третьей по величине сферой потребления магния, на которую приходилось около 123 тыс. тонн или 11% от общего мирового потребления в 2012 году, а десульфуризация стала четвертой по величине сферой использования, с объемом 119 тыс. тонн в 2012 году. Использование магния в сталеплавильном производстве уменьшилось в последние годы, в связи с глобальным экономическим кризисом и, как следствие, замедлением роста (или снижением) производства стали во многих странах. В среднем, в мире используется примерно 50 г/т стали.
Источник: "Металлический магний: Глобальные промышленные рынки и перспективы, 2012 год", Roskill Information Services Ltd.
Магний также используется в других приложениях, например, как сфероидизирующий модификатор для чугуна и как катодная защита, способ предотвращения коррозии, вынуждающий все поверхности металлической структуры быть катодами через предоставление внешних анодов активных металлов. По оценкам Roskill, использование магния для этих двух приложений было порядка 65 тыс. тонн и 60 тыс. тонн в 2012 году.
В то время как рост производства автомобилей в некоторых регионах повысил потребление с 2008/09 спада, рынок был несколько сдержан снижением европейских поставок транспортных средств. Тем не менее, в результате давления от сокращения выбросов, рост использования магния в транспортной сфере продолжает опережать использование металла в традиционных материалах, такие как сталь, и рынок литья под давлением, как прогнозируется, будет расти на 6-7% в год до 2017 года. В алюминиевых сплавах, магний используется преимущественно в упаковках, а этот рынок продолжает показывать сильное расширение, ввиду экономического роста в развивающихся странах.
Облегчение веса автомобилей и Китай стимулируют рост спроса на магний
По оценкам Roskill, потребление магния достигло нового пика в 2012 году, 1,1 млн. тонн, при этом спрос увеличивался на 5,5% в год в течение последнего десятилетия. Крупнейшими отраслями-потребителями магния остаются промышленность литья под давлением и алюминиевые сплавы, на каждую из которых приходится треть от общего потребления. Транспортная промышленность является крупнейшим потребителем литья и вторым крупнейшим потребителем металла, после алюминиево-магниевых сплавов в упаковках.
Промышленность магния имеет выгоду от роста автомобильного производства, во главе с Китаем, а также повышения удельного расхода магния в автомобилях, так как производители стремятся соответствовать введенным государственным целевым показателям сокращения выбросов, а рост стоимости топлива влияет на потребительские покупательные тенденции. Постоянные усилия по снижение веса означают, что рост потребления магния будет продолжаться, по крайней, на 5,0% в год до 2017 года. Использование магния в литых деталях, скорее всего, будет расти быстрее, на 6,5% в год, но рынок будет сдерживаться более низкими темпами роста десульфурации и сфероидизирующего отжига стали.
Рост китайского потребления более чем компенсировал небольшое падение в остальных странах мира с 2007 года, а на Азию в 2012 году приходилось 43% от общемирового объема по сравнению с 35% пять лет назад. На долю Северной Америки приходилось 20% потребления, а Европы - 15%. Индия и Южная Корея показали уверенный рост потребления за последние пять лет, но при низкой базе в натуральном выражении, в то время потребление в России выросло почти в два раза, в связи с увеличением производства титана. Азия, точнее Китай, будут по-прежнему демонстрировать самые высокие темпы роста спроса на магний на региональной основе до 2017 года.
Китай доминирует в глобальных поставках, но внутренняя конкуренция часто упускается из виду
В производстве первичного магния продолжает доминировать Китай, на долю которого, по оценке Roskill, приходилось 75% мирового производства в 2012 году. России и США вместе представляют собой еще 16%, далее следуют более мелкие производители - Израиль, Казахстан, Бразилия, Сербия и Украина. Малайзия и Южная Корея вышли на рынок в последние годы, хотя и в небольшом масштабе, но это и некоторые ограниченное расширение существующих операций сделали немного, чтобы ослабить растущую долю Китая. Вторичный магния, производство которого в 2012 году составило 211 тыс. тонн, поступает в основном из лома литья. Северная Америка является основным источником вторичного магния, затем следует Европа, так как эти регионы по-прежнему являются крупными потребителями продукции на основе магния.
Лидирующие позиции Китая в первичном производстве магния отражают внутренняя доступность и низкая стоимость ферросилиция и энергии (в виде угля, кокса и электроэнергии), которые являются основными компонентами энергоемкого, теплового пиджинг-процесса получения металла. Тем не менее, столкнувшись с ростом цен на энергоносители и государственным давлением с целью снижения выбросов, китайские магниевые компании вложились в оптимизацию процесса с целью снижения затрат. Хотя Китай часто рассматривается как единое целое в случае с поставками магния, во внутренней промышленности также сильно выросла конкуренция, в связи с недавним повышением доступности кокс газа, в результате перемещения внутреннего производства в провинцию Шэньси, что ограничило рост в провинциях Шаньси и Нинся, и в результате потерь в производстве в других местах.
Низкие капитальные издержки в переходе от стендовых технологических установок означают, что перемещение отечественного производства из провинции в провинцию происходит относительно просто, но приводит к значительному росту мощностей. Roskill оценивает китайские первичные мощности в размере 1,3 млн. тонн, но из них только 0,8-0,9 млн. тонн используются; остальные мощности законсервированы или неэкономичны. Эта тенденция привела к закрытию, по крайней мере, одного крупного производителя в Китае в 2012 году, а также к консолидации отрасли.
Несмотря на ценовую конкурентоспособность и избыточные мощности в Китае, новый электролитический завод в провинции Цинхай, мощностью 100 тысяч тонн, который должен открыться в ближайшее время, мог бы еще больше изменить внутренний ландшафт. Несколько компаний, использующих новые процессы или вариации из существующих электролитических и термических методов, также продолжают исследовать возможность первичного производства магния в других странах, особенно в Австралии и Канаде. Однако, пока эти проекты не смогут конкурировать с китайскими производственными издержками и быть экономически выгодными при текущих и прогнозируемых ценах на магний в 2500-3000 долл./т, Китай, похоже, будет постепенно увеличивать свою долю рынка по мере того, как спрос растет.
Цены на магний
В мире нет площадок для торговли магнием и поэтому в большинстве случаев условия контрактов согласовываются напрямую между производителями и потребителями. Тем не менее, большой объем китайского материала продается на спотовой основе торговцами и китайскими производителями на европейский, японский и внутренний рынок. Основными рыночными ценами на магний, следовательно, являются китайские внутренние и экспортные цены на металл с чистотой 99,8% Mg, и европейские цены экс-Роттердам склад. Некоторые поставки магния происходят за пределами торговли Китая с другими странами, но они образуют меньшую часть от общего открытого рынка.
Рост спроса, в частности, в Китае, привел к быстрому росту цен в четвертом квартале 2007 года и первом полугодии 2008 года. На пике своего роста в первой половине 2008 года цены выросли выше 6000 долл./т FOB Китай для слитка магния с чистотой 99,8%. В последующие годы цены с отступили на более низкие уровни, движимые сокращением потребности в связи с глобальным экономическим кризисом, хотя по-прежнему находились выше, чем до пика 2007/08 годов. Отмена 10% экспортной пошлины на китайские поставки в конце 2012 года вызвала волновой эффект как для европейских цен, так и для китайских экспортных цен, обусловив с 2013 года цены 2500-3000 долл./т FOB Китай. Из-за антидемпинговых пошлин на китайский материал, в США магний продается с премией.