Оксид магния

Химическое соединение, встречающееся в природе в виде периклаз

Химическое соединение

Оксид магния ( Mg O ), или магнезия , представляет собой белый гигроскопичный твердый минерал , который встречается в природе в виде периклаза и является источником магния (см. также оксид ). Он имеет эмпирическую формулу MgO и состоит из решетки ионов Mg ²⁺ и ионов O ²⁻ , удерживаемых вместе ионной связью . Гидроксид магния образуется в присутствии воды (MgO + H ₂ O → Mg(OH) ₂ ), но его можно обратить, нагрев его для удаления влаги.

Оксид магния исторически был известен как magnesia alba (буквально «белый минерал из Магнезии »), чтобы отличать его от magnesia nigra — черного минерала, содержащего то, что сейчас известно как марганец .

Родственные оксиды

Хотя «оксид магния» обычно относится к MgO, также известно соединение пероксид магния MgO _2. Согласно эволюционному предсказанию кристаллической структуры, ^[11] MgO ₂ термодинамически стабилен при давлениях выше 116 ГПа (гигапаскалей), а полупроводниковый субоксид Mg ₃ O ₂ термодинамически стабилен выше 500 ГПа. Благодаря своей стабильности MgO используется в качестве модельной системы для исследования колебательных свойств кристаллов. ^[12]

Электрические свойства

Чистый MgO не является проводником и имеет высокое сопротивление электрическому току при комнатной температуре . Чистый порошок MgO имеет относительную диэлектрическую проницаемость в пределах от 3,2 до 9,9 с приблизительными диэлектрическими потерями tan (δ) > 2,16x10 ³ при 1 кГц. ^{[5] [6] [7]} ${\displaystyle k}$

Производство

Оксид магния получают путем прокаливания карбоната магния или гидроксида магния . Последний получают путем обработки хлорида магния MgCl
₂растворы, обычно морская вода, с известковой водой или известковым молоком. ^[13]

Mg2 ⁺ + Ca(OH) ₂ → Mg(OH) ₂ + Ca2 ⁺

Прокаливание при разных температурах производит оксид магния с разной реакционной способностью. Высокие температуры 1500–2000 °C уменьшают доступную площадь поверхности и производят пережженную (часто называемую пережженной) магнезию, нереакционноспособную форму, используемую в качестве огнеупора . Температуры прокаливания 1000–1500 °C производят сильно обожженную магнезию, которая имеет ограниченную реакционную способность, а прокаливание при более низкой температуре (700–1000 °C) производит слабо обожженную магнезию, реакционноспособную форму, также известную как каустическая кальцинированная магнезия. Хотя некоторое разложение карбоната до оксида происходит при температурах ниже 700 °C, полученные материалы, по-видимому, повторно поглощают углекислый газ из воздуха. ^{[ необходима цитата ]}

Приложения

Огнеупорный изолятор

MgO ценится как огнеупорный материал , то есть твердое вещество, которое физически и химически стабильно при высоких температурах. Он обладает полезными свойствами высокой теплопроводности и низкой электропроводности. Согласно справочнику 2006 года: ^[14]

Крупнейшим потребителем магнезии в мире является огнеупорная промышленность, на которую в 2004 году пришлось около 56% магнезии в США, а оставшиеся 44% использовались в сельском хозяйстве, химической промышленности, строительстве, охране окружающей среды и других отраслях промышленности.

MgO используется как огнеупорный материал для тиглей . Он также используется как изолятор в термостойком электрическом кабеле .

Биомедицинский

Среди наночастиц оксидов металлов наночастицы оксида магния (MgO NP) обладают особыми физико-химическими и биологическими свойствами, включая биосовместимость, биоразлагаемость, высокую биоактивность, значительные антибактериальные свойства и хорошие механические свойства, что делает их хорошим выбором в качестве армирующего материала в композитах. ^[15]

Нагревательные элементы

Он широко используется в качестве электроизолятора в нагревательных элементах трубчатой ​​конструкции, таких как нагревательные элементы электрических плит и варочных панелей . Существует несколько размеров ячеек , и наиболее часто используемые из них — 40 и 80 ячеек, согласно Американскому обществу литейщиков . Широкое использование обусловлено его высокой диэлектрической прочностью и средней теплопроводностью. MgO обычно измельчается и уплотняется с минимальными воздушными зазорами или пустотами.

Цемент

MgO является одним из компонентов портландцемента на заводах сухого способа .

В цементе Sorel в качестве основного компонента используется MgO в сочетании с MgCl2 _и водой.

Удобрение

MgO играет важную роль в качестве коммерческого удобрения для растений ^[16] и корма для животных ^{[17] .}

Противопожарная защита

Это основной огнестойкий ингредиент в строительных материалах. Как строительный материал, стеновые панели из оксида магния обладают несколькими привлекательными характеристиками: огнестойкостью, устойчивостью к термитам, влагостойкостью, устойчивостью к плесени и грибку, прочностью, но также и серьезным недостатком, поскольку они притягивают влагу и могут повредить окружающие материалы. ^{[18] [14]} [1]

Медицинский

Оксид магния используется для облегчения изжоги и несварения желудка, как антацид , добавка магния и как кратковременное слабительное . Он также используется для улучшения симптомов несварения желудка . Побочные эффекты оксида магния могут включать тошноту и спазмы. ^[19] В количествах, достаточных для получения слабительного эффекта, побочные эффекты длительного использования могут редко вызывать образование энтеролитов , что приводит к непроходимости кишечника . ^[20]

Переработка отходов

Оксид магния широко используется в очистке почвы и грунтовых вод , очистке сточных вод, очистке питьевой воды, очистке выбросов в атмосферу и в отраслях по переработке отходов из-за его способности буферизировать кислоту и связанной с этим эффективности в стабилизации растворенных видов тяжелых металлов. ^{[ по чьему мнению? ]}

Многие виды тяжелых металлов, такие как свинец и кадмий , наименее растворимы в воде при слабощелочных условиях (pH в диапазоне 8–11). Растворимость металлов увеличивает их нежелательную биодоступность и подвижность в почве и грунтовых водах. Гранулированный MgO часто смешивают с почвой или отходами, загрязняющими металлы, которые также обычно имеют низкий pH (кислые), чтобы довести pH до диапазона 8–10. Комплексы металлов с гидроксидами имеют тенденцию выпадать в осадок из водного раствора в диапазоне pH 8–10.

MgO упаковывается в мешки вокруг трансурановых отходов в ячейках захоронения (панелях) на пилотном заводе по изоляции отходов , как поглотитель CO2 _для минимизации комплексообразования урана и других актинидов карбонатными ионами и, таким образом , для ограничения растворимости радионуклидов . Использование MgO предпочтительнее, чем CaO , поскольку полученный продукт гидратации ( Mg(OH)
₂) менее растворим и выделяет меньше тепла гидратации . Другим преимуществом является установление более низкого значения pH (около 10,5) в случае случайного попадания воды в сухие слои соли, в отличие от более растворимого Ca(OH)
₂что создаст более высокий pH 12,5 (сильно щелочные условия). Mg²⁺
катион является вторым по распространенности катионом в морской воде и в каменной соли , поэтому потенциальное высвобождение ионов магния, растворяющихся в рассолах, проникающих в глубокое геологическое хранилище , как ожидается, также минимизирует геохимические нарушения. ^[21]

Ниша использует

Неполированный кристалл MgO

• В качестве пищевой добавки он используется в качестве антислеживающего агента . Он известен Управлению по контролю за продуктами и лекарствами США как вещество, используемое в какао-продуктах, консервированном горошке и замороженных десертах. ^[22] Он имеет номер E530.
• В качестве реагента при установке карбоксибензильной (Cbz) группы с использованием бензилхлорформиата в EtOAc для N-защиты аминов и амидов . ^[23 ]
• Добавление MgO (около 1–5% по весу) в гидроксиапатит , биокерамический минерал, увеличивает вязкость разрушения за счет миграции к границам зерен, где он уменьшает размер зерен и изменяет режим разрушения с межзеренного на трансзернистый . ^{[24] [25]}
• Прессованный MgO используется как оптический материал. Он прозрачен от 0,3 до 7 мкм. Показатель преломления составляет 1,72 при 1 мкм, а число Аббе составляет 53,58. Иногда его называют торговой маркой Eastman Kodak Irtran-5, хотя это обозначение устарело. Кристаллически чистый MgO доступен в продаже и имеет небольшое применение в инфракрасной оптике. ^[26]
• Аэрозольный раствор MgO используется в библиотечном деле и управлении коллекциями для нейтрализации кислотности подверженных риску бумажных предметов. В этом процессе щелочность MgO (и подобных соединений) нейтрализует относительно высокую кислотность, характерную для низкокачественной бумаги, тем самым замедляя скорость ухудшения. ^[27]
• Оксид магния используется в качестве оксидного барьера в спин-туннельных устройствах . Благодаря кристаллической структуре его тонких пленок, которые могут быть нанесены, например, методом магнетронного распыления , он демонстрирует характеристики, превосходящие характеристики обычно используемого аморфного Al ₂ O ₃ . В частности, спиновая поляризация около 85% была достигнута с MgO ^[28] по сравнению с 40–60% с оксидом алюминия ^[29] . Значение туннельного магнитосопротивления также значительно выше для MgO (600% при комнатной температуре и 1100% при 4,2 К ^[30] ), чем для Al ₂ O ₃ (около 70% при комнатной температуре ^[31] ).
• MgO является распространенной средой для передачи давления, используемой в аппаратах высокого давления, таких как многопунцовые прессы . ^[32]

Тормозная накладка

Магнезия используется в тормозных накладках из-за ее теплопроводности и промежуточной твердости. ^[33] Она помогает рассеивать тепло от поверхностей трения, предотвращая перегрев и минимизируя износ металлических компонентов. ^[34] Ее стабильность при высоких температурах обеспечивает надежную и долговечную работу тормозов в автомобильной и промышленной сфере. ^[35]

Тонкопленочные транзисторы

В тонкопленочных транзисторах (TFT) MgO часто используется в качестве диэлектрического материала или изолятора из-за его высокой термической стабильности, превосходных изолирующих свойств и широкой запрещенной зоны . ^[36] Оптимизированные IGZO/MgO TFT продемонстрировали подвижность электронов 1,63 см²/В·с, отношение тока включения/выключения 10⁶ и подпороговый размах 0,50 В/декаду при −0,11 В. ^[37] Эти TFT являются неотъемлемой частью маломощных приложений, носимых устройств и радиационно-стойкой электроники, способствуя повышению эффективности и долговечности в различных областях. ^{[38] [39]}

Историческое использование

• Исторически он использовался в качестве эталонного белого цвета в колориметрии из-за его хороших рассеивающих и отражающих свойств. ^[40] Его можно нанести на поверхность непрозрачного материала, чтобы сформировать интегрирующую сферу .
• Ранние конструкции газовых калильных сеток для освещения, такие как корзина Клэмона , состояли в основном из оксида магния.

Меры предосторожности

Вдыхание паров оксида магния может вызвать литейную лихорадку . ^[41]

Смотрите также

• Оксид кальция  – Химическое соединение кальция
• Оксид бария  – химическое соединение, используемое в электронно-лучевых трубках.
• Силикат кальция  – химическое соединение, встречающееся в природе в виде минерала ларнита.
• Сульфид магния  – неорганическое соединение, образующееся при производстве металлического железа.
• Реактивная магнезия  – химическое соединениеСтраницы, отображающие описания викиданных в качестве резерва

Примечания

1. При комнатной температуре. ^{[5] [6] [7]}

Ссылки

1. Haynes, William M., ред. (2011). CRC Handbook of Chemistry and Physics (92-е изд.). Boca Raton, FL: CRC Press . стр. 4.74. ISBN 1-4398-5511-0.
2. Taurian, OE; Springborg, M.; Christensen, NE (1985). "Самосогласованные электронные структуры MgO и SrO" (PDF) . Solid State Communications . 55 (4): 351–5. Bibcode :1985SSCom..55..351T. doi :10.1016/0038-1098(85)90622-2. Архивировано из оригинала (PDF) 2016-03-03 . Получено 2012-03-27 .
3. Хейнс, Уильям М., ред. (2011). CRC Handbook of Chemistry and Physics (92-е изд.). Бока-Ратон, Флорида: CRC Press . стр. 4.133. ISBN 1-4398-5511-0.
4. Применение магниевых соединений в качестве теплоизоляционных наполнителей Архивировано 30 декабря 2013 г. на Wayback Machine . konoshima.co.jp
5. AP, Джонсон (ноябрь 1986 г.). Структурные и электрические свойства порошков оксида магния (магистратура). Университет Дарема.
6. Subramanian, MA; Shannon, RD; Chai, BHT; Abraham, MM; Wintersgill, MC (ноябрь 1989 г.). «Диэлектрические константы BeO, MgO и CaO с использованием двухтерминального метода». Physics and Chemistry of Minerals . 16 (8): 741–746. Bibcode : 1989PCM....16..741S. doi : 10.1007/BF00209695. ISSN  0342-1791. S2CID  95280958.
7. Хорнак, Ярослав; Трнка, Павел; Кадлец, Петр; Михал, Ондржей; Ментлик, Вацлав; Шутта, Павол; Чаньи, Гергеи; Тамус, Золтан (30 мая 2018 г.). «Наночастицы оксида магния: диэлектрические свойства, функционализация поверхности и улучшение изоляционных свойств композитов на основе эпоксидной смолы». Наноматериалы . 8 (6): 381. дои : 10.3390/nano8060381 . ISSN  2079-4991. ПМК 6027305 . ПМИД  29848967. 
8. Haynes, William M., ред. (2011). CRC Handbook of Chemistry and Physics (92-е изд.). Boca Raton, FL: CRC Press . стр. 5.15. ISBN 1-4398-5511-0.
9. Haynes, William M., ред. (2011). CRC Handbook of Chemistry and Physics (92-е изд.). Boca Raton, FL: CRC Press . стр. 5.2. ISBN 1-4398-5511-0.
10. NIOSH Карманный справочник по химическим опасностям. "#0374". Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH).
11. Чжу, Цян; Оганов АР; Ляхов АО (2013). "Новые стабильные соединения в системе Mg-O под высоким давлением" (PDF) . Phys. Chem. Chem. Phys . 15 (20): 7696–7700. Bibcode :2013PCCP...15.7696Z. doi :10.1039/c3cp50678a. PMID  23595296. Архивировано из оригинала (PDF) 2013-12-03 . Получено 2013-11-06 .
12. Mei, AB; O. Hellman; CM Schlepütz; A. Rockett; T.-C. Chiang; L. Hultman; I. Petrov ; JE Greene (2015). "Отражательное тепловое диффузное рентгеновское рассеяние для количественного определения дисперсионных соотношений фононов". Physical Review B. 92 ( 17): 174301. Bibcode : 2015PhRvB..92q4301M. doi : 10.1103/physrevb.92.174301 .
13. Маргарет Сигер; Уолтер Отто; Вильгельм Флик; Фридрих Бикельгаупт; Отто С. Аккерман. «Соединения магния». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. дои : 10.1002/14356007.a15_595.pub2. ISBN 978-3527306732.
14. Mark A. Shand (2006). Химия и технология магнезии. John Wiley and Sons. ISBN 978-0-471-65603-6. Получено 10 сентября 2011 г.
15. Saberi A, Baltatu MS, Vizureanu P (май 2024 г.). «Последние достижения в области композитов на основе наночастиц магния и оксида магния для биомедицинских применений». Биоинженерия . 11 (5): 508. doi : 10.3390/bioengineering11050508 . PMC 11117911. PMID  38790374 . 
16. Nutrient Science.fertility101.org. Получено 26.04.2017.
17. Оксид магния для животноводческой промышленности. lehvoss.de
18. Мармоль, Гонсало; Савастано, Холмер (июль 2017 г.). «Исследование деградации нетрадиционного цемента MgO-SiO 2 , армированного лигноцеллюлозными волокнами». Цементные и бетонные композиты . 80 : 258–267. doi :10.1016/j.cemconcomp.2017.03.015.
19. Оксид магния. MedlinePlus. Последнее изменение 02/01/2009
20. Tatekawa Y, Nakatani K, Ishii H и др. (1996). «Непроходимость тонкой кишки, вызванная безоаром, принятым с помощью лекарств: отчет о случае». Surgery Today . 26 (1): 68–70. doi :10.1007/BF00311997. PMID  8680127. S2CID  24976010.
21. wipp.energy.gov Пошаговое руководство по обращению с отходами в WIPP. Пилотный завод по изоляции отходов. wipp.energy.gov
22. «Обзор соединений для CID 14792 – Оксид магния». PubChem.
23. Dymicky, M. (1989-02-01). «Подготовка метиловых и этиловых эфиров карбобензокси -L -тирозина и соответствующих гидразидов карбобензокси». Organic Preparations and Procedures International . 21 (1): 83–90. doi :10.1080/00304948909356350. ISSN  0030-4948.
24. Tan, CY; Yaghoubi, A.; Ramesh, S.; Adzila, S.; Purbolaksono, J.; Hassan, MA; Kutty, MG (декабрь 2013 г.). "Спекание и механические свойства нанокристаллического гидроксиапатита, легированного MgO" (PDF) . Ceramics International . 39 (8): 8979–8983. doi :10.1016/j.ceramint.2013.04.098. Архивировано из оригинала (PDF) 2017-03-12 . Получено 2015-08-08 .
25. Тан, Чоу Йонг; Сингх, Рамеш; Толуэй, Р.; Сопьян, Иис; Тенг, Ван Дунг (2011). «Синтез высокой вязкости разрушения биокерамики на основе гидроксиапатита». Advanced Materials Research . 264–265: 1849–1855. doi :10.4028/www.scientific.net/amr.264-265.1849. ISSN  1662-8985. S2CID  137578750.
26. Стивенс, Роберт Э. и Малитсон, Ирвинг Х. (1952). «Показатель преломления оксида магния». Журнал исследований Национального бюро стандартов . 49 (4): 249–252. doi : 10.6028/jres.049.025 .
27. "Массовая нейтрализация: сохранение письменного слова". Библиотека Конгресса . Получено 26 сентября 2011 г.
28. Parkin, SSP; Kaiser, C.; Panchula, A.; Rice, PM; Hughes, B.; Samant, M.; Yang, SH (2004). «Гигантское туннельное магнитосопротивление при комнатной температуре с туннельными барьерами MgO (100)». Nature Materials . 3 (12): 862–867. Bibcode :2004NatMa...3..862P. doi :10.1038/nmat1256. PMID  15516928. S2CID  33709206.
29. Monsma, DJ; Parkin, SSP (2000). "Спиновая поляризация туннельного тока из интерфейсов ферромагнетик/Al ₂ O ₃ с использованием сверхпроводящих пленок алюминия, легированного медью". Applied Physics Letters . 77 (5): 720. Bibcode : 2000ApPhL..77..720M. doi : 10.1063/1.127097.
30. Икеда, С.; Хаякава, Дж.; Ашизава, Ю.; Ли, Ю.М.; Миура, К.; Хасегава, Х.; Цунода, М.; Мацукура, Ф.; Оно, Х. (2008). "Туннельное магнитосопротивление 604% при 300 К путем подавления диффузии Ta в псевдоспиновых клапанах CoFeB/MgO/CoFeB, отожженных при высокой температуре". Applied Physics Letters . 93 (8): 082508. Bibcode : 2008ApPhL..93h2508I. doi : 10.1063/1.2976435. S2CID  122271110.
31. Ван, Д.; Нордман, К.; Доутон, Дж. М.; Цянь, З.; Финк, Дж. (2004). "70% TMR при комнатной температуре для сэндвич-соединений SDT с CoFeB в качестве свободных и опорных слоев". Труды IEEE по магнетизму . 40 (4): 2269. Bibcode : 2004ITM....40.2269W. CiteSeerX 10.1.1.476.8544 . doi : 10.1109/TMAG.2004.830219. S2CID  20439632. 
32. Ван, Хайкуо; Хэ, Дуаньвэй; Янь, Сяочжи; Сюй, Чао; Гуань, Цзюньвэй; Тан, Нин; Ван, Вэньдан (декабрь 2011 г.). «Количественные измерения градиентов давления для пирофиллита и оксида магния, передающих давление сред до 8 ГПа в кубической ячейке большого объема». High Pressure Research . 31 (4): 581–591. doi :10.1080/08957959.2011.614238. ISSN  0895-7959.
33. "Керамические материалы на основе оксида магния - Обзор". Advanced Ceramic Materials . 8 августа 2024 г. . Получено 15 сентября 2024 г. .
34. Патент CN 105087849A 
35. Патент WO 2020122684A1 
36. Грин, Джулисса (24 апреля 2024 г.). «Мишень из оксида магния в производстве тонкопленочных транзисторов». Мишени для распыления . Stanford Advanced Materials . Получено 30 октября 2024 г.
37. Су, Чжан; Чжан, Сяо (2024). «Влияние температуры подложки на механизм роста и свойства диэлектрических пленок PEALD-MgO для аморфных IGZO TFT». Технология поверхностей и покрытий . 483 : 130819. doi : 10.1016/j.surfcoat.2024.130819.
38. Юй, Фанчжоу; Хун, Вэнь (2021). «Прозрачный тонкопленочный транзистор с отрицательной емкостью на основе MgZnO, построенный на стекле». Журнал IEE Общества электронных приборов . 9 : 798–803. doi : 10.1109/JEDS.2021.3108904 .
39. Чжао, Ченг; Ли, Цзюнь (2017). «Легирование магнием для одновременного улучшения электрических характеристик и стабильности тонкопленочных транзисторов MgInO». Труды IEEE по электронным приборам . 64 (5): 2216–2220. doi :10.1109/TED.2017.2678544.
40. Теллекс, Питер А.; Уолдрон, Джек Р. (1955). «Отражательная способность оксида магния». JOSA . 45 (1): 19. Bibcode : 1955JOSA...45...19T. doi : 10.1364/JOSA.45.000019.
41. Оксид магния. Национальный реестр загрязняющих веществ, правительство Австралии.

Внешние ссылки

• Страница данных в UCL
• Страница данных по керамике в NIST
• Карманный справочник NIOSH по химическим опасностям в CDC