§ 44. Магний и его соединения

Определения и обозначения

Магний — химический элемент II группы и простое вещество-металл с символом Mg. Он расположен в третьем периоде, а в его атоме два электрона на внешнем уровне; в соединениях магний обычно имеет степень окисления +2. Это помогает предсказывать формулы его соединений и объяснять типичные реакции металла.

Оксид магния — основной оксид состава MgO, состоящий из магния и кислорода. В формуле соотношение атомов равно 1:1, потому что ионы Mg²⁺ и O²⁻ имеют равные по величине заряды. Это вещество получают, в частности, при горении магния и используют для изучения свойств основных оксидов.

Гидроксид магния — малорастворимое основание состава Mg(OH)₂. Он реагирует с кислотами с образованием соли и воды, а при нагревании разлагается на оксид магния и воду. Эти превращения показывают, как связаны оксиды и основания и почему формулы этих классов нельзя путать.

Карбонат магния — соль угольной кислоты с формулой MgCO₃. В природе он встречается, например, в минерале магнезите; при сильном нагревании распадается на MgO и CO₂. Реакция важна для понимания свойств карбонатов и получения оксида магния.

Как это устроено

У атома магния два электрона на внешнем энергетическом уровне, и при химических реакциях ему обычно выгоднее отдать их, чем присоединить шесть недостающих до завершения уровня. Так образуется катион Mg²⁺ с устойчивой электронной оболочкой. Поэтому магний проявляет металлические свойства и в соединениях чаще всего имеет степень окисления +2. Сочетание этого катиона с анионами помогает выводить формулы: например, Mg²⁺ и O²⁻ образуют MgO.

Магний реагирует с кислородом при нагревании, потому что в результате образуется устойчивый оксид MgO; реакция сопровождается ярким белым свечением. С галогенами он образует соли, например MgCl₂, а при нагревании может соединяться с азотом воздуха с образованием Mg₃N₂. С холодной водой магний реагирует медленно: поверхность покрывает защитный слой, который мешает воде соприкасаться с чистым металлом. Нагревание ускоряет процесс, а водяной пар реагирует с магнием активнее.

Кислоты содержат ионы водорода, которые магний вытесняет из раствора, поскольку металл достаточно активен. Поэтому при взаимодействии с неокисляющими кислотами обычно образуются соль и газообразный водород: например, MgCl₂ и H₂ при реакции с соляной кислотой. В реакции с водой водород тоже может выделяться, но условия и скорость процесса другие: их определяют защитный слой и нагревание. Значит, для записи уравнения нужно учитывать не только наличие водорода в реагенте, но и конкретные условия реакции.

Оксид магния получают сжиганием магния в кислороде. Как основной оксид, MgO реагирует с кислотами с образованием соли и воды; при взаимодействии с водой он может образовать малорастворимый Mg(OH)₂. Гидроксид можно получить также действием воды на магний при подходящих условиях, а его основные свойства проявляются в реакции нейтрализации с кислотами. При нагревании гидроксид, напротив, теряет воду и превращается обратно в оксид.

Карбонат магния связан с оксидом термическим разложением: при нагревании из MgCO₃ образуются MgO и CO₂. Это типичное свойство многих карбонатов, поэтому по формуле можно заранее предположить, какие продукты появятся. Магнезит служит природным источником соединений магния, а оксид используют в огнеупорных материалах благодаря его устойчивости к высокой температуре. Гидроксид магния применяют, в частности, в средствах, снижающих кислотность, а карбонаты магния используют в технике и быту.

Магний и важнейшие соединения магния

Сначала определите класс вещества: он подсказывает, какие реакции для него характерны. Затем сравните формулу с уравнением реакции и проверьте, соблюдено ли число атомов каждого элемента. Примеры применения помогают связать свойства веществ с их практическим использованием.

Разбор задач

1. Реакции магния с кислородом и хлором

Условие. Составьте уравнения реакций магния с кислородом и хлором, укажите тип образующихся веществ. В обоих соединениях магний имеет степень окисления +2, потому что отдаёт два внешних электрона. По зарядам частиц определяем состав продуктов, а затем уравниваем число атомов.

1. Для кислорода O²⁻ и катиона Mg²⁺ соотношение составляет 1:1, поэтому формула продукта — MgO.
2. Составляем и уравниваем уравнение: 2Mg + O₂ → 2MgO. MgO — сложное вещество, основной оксид.
3. Хлор образует ионы Cl⁻; для компенсации заряда Mg²⁺ нужны два таких иона, значит, формула — MgCl₂. Уравнение: Mg + Cl₂ → MgCl₂; продукт — бинарная соль.

Ответ. 2Mg + O₂ → 2MgO; Mg + Cl₂ → MgCl₂. Образуются основной оксид и соль соответственно.

2. Реакции магния и оксида магния с кислотами

Условие. Запишите уравнения взаимодействия магния с соляной кислотой и оксида магния с серной кислотой. В первом случае металл вытесняет водород из кислоты, во втором основной оксид нейтрализуется кислотой. Различие в исходных веществах определяет, будет ли среди продуктов газ.

1. Для металла используем схему «металл + кислота → соль + водород». Ион Mg²⁺ соединяется с двумя ионами Cl⁻, поэтому образуется MgCl₂.
2. Уравниваем число атомов водорода и хлора: Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂.
3. Для основного оксида используем схему «основный оксид + кислота → соль + вода». Сульфат магния имеет формулу MgSO₄, поэтому уравнение: MgO + H₂SO₄ → MgSO₄ + H₂O.

Ответ. Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂; MgO + H₂SO₄ → MgSO₄ + H₂O. Проверьте баланс атомов: уравненные коэффициенты обеспечивают одинаковое их число слева и справа.

3. Объём углекислого газа

Условие. При нагревании разложили 16,8 г карбоната магния. Требуется найти объём CO₂ при нормальных условиях. Сначала выясним по уравнению, в каком соотношении расходуется MgCO₃ и образуется газ, затем перейдём от массы к количеству вещества.

1. Записываем реакцию: MgCO₃ → MgO + CO₂. Коэффициенты показывают, что из 1 моль MgCO₃ получается 1 моль CO₂.
2. Вычисляем молярную массу: M(MgCO₃) = 24 + 12 + 3 × 16 = 84 г/моль. Количество вещества карбоната: n = m/M = 16,8/84 = 0,20 моль.
3. По соотношению коэффициентов n(CO₂) = 0,20 моль. При н. у. молярный объём газа равен 22,4 л/моль, поэтому V(CO₂) = 0,20 × 22,4 = 4,48 л.

Ответ. Образуется 4,48 л углекислого газа при н. у. Такой способ расчёта подходит, когда известна масса реагента, а количество газообразного продукта находят по уравнению реакции.

Типичные ошибки

• Ожидать бурной реакции магния с холодной водой. Это неверно, потому что поверхность металла защищена тонким слоем оксида и гидроксида. Ошибку легко допустить, если перенести на магний свойства более активных металлов; при проверке укажите условия и учтите, что нагревание ускоряет реакцию.
• Записывать оксид как Mg₂O. Такая формула не уравновешивает заряды ионов Mg²⁺ и O²⁻, каждый из которых имеет заряд по модулю 2. Сверьте индексы с зарядами: одному иону магния соответствует один ион кислорода, поэтому формула — MgO.
• Путать оксид и гидроксид. MgO относится к основным оксидам, а Mg(OH)₂ — к основаниям; похожее название не делает их одним классом веществ. Проверьте формулу: наличие группы OH указывает на гидроксид, а взаимодействие с кислотой у обоих веществ приводит к соли и воде.
• Считать, что при нагревании MgCO₃ образуется металл. Карбонат разлагается на MgO и CO₂, а для получения металла потребовалось бы отдельное восстановление соединения. Проверяйте типичную схему разложения карбонатов и баланс атомов: MgCO₃ → MgO + CO₂.

Связь с другими темами

Для объяснения реакций магния нужны знания о строении атома, периодической системе, степенях окисления и составлении формул. Классы неорганических веществ помогают предсказать, как ведут себя металл, оксид, основание, кислота и соль. Позже эти знания пригодятся при изучении щелочноземельных металлов и генетических связей между классами веществ. Уравнения реакций также служат основой для расчётов по массе, количеству вещества и объёму газа.

Что запомнить

• Магний — металл II группы, в соединениях обычно проявляет степень окисления +2.
• При горении магний образует оксид MgO; при реакции с азотом возможно образование Mg₃N₂.
• С кислотами магний обычно образует соль и водород.
• Оксид магния относится к основным оксидам.
• Гидроксид магния — малорастворимое основание, реагирующее с кислотами.
• При нагревании MgCO₃ разлагается на MgO и CO₂.