MAGNESIUM: HISTORIA, RAKENNE, OMINAISUUDET, REAKTIOT, KÄYTTÖ - KEMIA - 2026

Magnesium on maa-alkalimetalli, jotka kuuluvat ryhmään 2 jaksollisen. Sen atominumero on 12 ja sitä edustaa kemiallinen symboli Mg. Se on maankuoreen kahdeksanneksi yleisin elementti, noin 2,5% siitä.

Tätä metallia, kuten sen yhdisteitä ja alkalimetalleja, ei löydy luonnosta luonnollisessa tilassaan, mutta se yhdistyy muiden elementtien kanssa muodostaen lukuisia yhdisteitä, joita esiintyy kallioissa, merivedessä ja suolavedessä.

Arkiesineet, jotka on valmistettu magnesiumilla. Lähde: Firetwister Wikipediasta.

Magnesium on osa mineraaleja, kuten dolomiitti (kalsium- ja magnesiumkarbonaatti), magnesiitti (magnesiumkarbonaatti), karnaliitti (magnesium- ja kaliumkloridiheksahydraatti), brusiitti (magnesiumhydroksidi) ja silikaateissa, kuten talkki ja oliviini.

Sen rikkain luonnollinen lähde laajennuksensa ansiosta on meri, jonka runsaus on 0,13%, vaikka Suuren Suolajärven (1,1%) ja Kuolleenmeren (3,4%) magnesiumpitoisuus on korkeampi. On suolavesiä, joissa on paljon sen pitoisuutta, joka konsentroidaan haihduttamalla.

Nimi magnesium on todennäköisesti peräisin magnesiitista, jota löytyy Magnesiasta, Thessalian alueelta, Kreikan muinaisesta alueesta. On kuitenkin huomautettu, että magnetiittia ja mangaania löytyi samalta alueelta.

Magnesium reagoi voimakkaasti hapen kanssa lämpötiloissa yli 645 ° C. Samaan aikaan magnesiumjauhe palaa kuivassa ilmassa, säteileen voimakasta valkoista valoa. Tästä syystä sitä käytettiin valonlähteenä valokuvauksessa. Tällä hetkellä tätä ominaisuutta käytetään edelleen pyrotekniikassa.

Se on olennainen osa eläville olennoille. Sen tiedetään olevan kofaktori yli 300 entsyymille, mukaan lukien useat glykolyysientsyymit. Tämä on tärkeä prosessi eläville olennoille johtuen sen suhteesta ATP: n, tärkeimmän solun energialähteen, tuotantoon.

Samoin se on osa kompleksia, joka on samanlainen kuin hemoglobiinin hemiryhmä, läsnä klorofyllissä. Tämä on pigmentti, joka osallistuu fotosynteesin toteutumiseen.

Historia

tunnustus

Skotlantilainen kemisti Joseph Black tunnusti sen vuonna 1755 elementiksi, osoittaen kokeellisesti, että se eroaa kalsiumista, metallista, jonka kanssa he sekoittivat sen.

Tältä osin Black kirjoitti: "Näemme jo kokeilulla, että magnesia alba (magnesiumkarbonaatti) on ominaisen maan ja kiinteän ilman yhdistelmä."

Eristäytyminen

Vuonna 1808 Sir Humprey Davy onnistui eristämään sen elektrolyysillä tuottamaan magnesiumin ja elohopean amalgaamia. Se teki tämän elektrolysoimalla sen märkä sulfaattisuola käyttämällä elohopeaa katodina. Myöhemmin se haihdutti elohopeaa malgamista kuumentamalla, jolloin jätettiin magnesiumjäännös.

Ranskalainen tutkija A. Bussy onnistui tuottamaan ensimmäisen metallisen magnesiumin vuonna 1833. Tätä varten Bussy tuotti sulan magnesiumkloridin pelkistyksen metallisella kaliumilla.

Vuonna 1833 brittiläinen tutkija Michael Faraday käytti ensin magnesiumkloridin elektrolyysiä tämän metallin eristämiseen.

tuotanto

Vuonna 1886 saksalainen yritys Aluminium und Magnesiumfabrik Hemelingen käytti sulan karnaliitin (MgCl ₂ · KCl · 6H ₂ O) elektrolyysiä magnesiumin tuottamiseen.

Hemelingen onnistui yhteistyössä Farben teollisuuskompleksin (IG Farben) kanssa kehittämään tekniikan tuottaa suuria määriä sulaa magnesiumkloridia elektrolyysiä varten magnesiumin ja kloorin tuottamiseksi.

Toisen maailmansodan aikana Dow Chemical Company (USA) ja Magnesium Elektron LTD (UK) aloittivat meriveden elektrolyyttisen pelkistymisen; pumpataan Galveston Baystä, Texasista ja Pohjanmereltä Hartlepooliin, Englantiin, magnesiumin tuotantoa varten.

Samaan aikaan Ontario (Kanada) luo tekniikan sen valmistamiseksi LM Pidgeon -prosessin perusteella. Tekniikka koostuu magnesiumoksidin termisestä pelkistämisestä silikaateilla ulkoisesti poltettavissa jälkikäsittelyissä.

Magnesiumin rakenne ja elektronikonfiguraatio

Magnesium kiteytyy kompakteissa kuusikulmaisessa rakenteessa, jossa jokaista sen atomeista ympäröi 12 naapuria. Tämä tekee siitä tiheämmän kuin muut metallit, kuten litium tai natrium.

Sen elektroninen kokoonpano on 3s ², ja siinä on kaksi valenssielektronia ja kymmenen sisäkuoresta. Koska sillä on ylimääräinen elektroni natriumiin verrattuna, sen metallisidos vahvistuu.

Tämä johtuu siitä, että atomi on pienempi ja sen ytimessä on vielä yksi protoni; siksi ne aiheuttavat suuremman vetovoiman vierekkäisten atomien elektroniin, mikä supistaa niiden väliset etäisyydet. Lisäksi, koska elektronia on kaksi, tuloksena oleva 3s-kaista on täynnä, ja se pystyy tuntemaan vielä enemmän ytimien vetovoiman.

Sitten Mg-atomit muodostavat tiheän kuusikulmaisen kiteen, jolla on vahva metallisidos. Tämä selittää sen paljon korkeamman sulamispisteen (650 ºC) kuin natriumin (98 ºC).

Kaikkien atomien kaikki 3s: n kiertoradat ja heidän 12 naapurinsa menevät päällekkäin kaikkiin suuntiin kristallin sisällä, ja kaksi elektronia lähtevät, kun kaksi muuta tulee; niin edelleen, ilman että Mg ²⁺ -kationit voisivat olla peräisin.

Hapetusnumerot

Magnesium voi menettää kaksi elektronia muodostaessaan yhdisteitä ja jäädä Mg ²⁺ -kationiksi, joka on isoelektroninen jalokaasun neonille. Kun otetaan huomioon sen läsnäolo missä tahansa yhdisteessä, magnesiumin hapetusluku on +2.

Toisaalta, ja vaikka vähemmän yleinen, voidaan muodostaa Mg ⁺ -kationi, joka on menettänyt vain yhden kahdesta elektronistaan ​​ja on isoelektroninen natriumille. Kun sen läsnäolon oletetaan olevan yhdisteessä, magnesiumin sanotaan olevan hapetusluku +1.

ominaisuudet

Fyysinen ulkonäkö

Briljanttivalkoinen kiinteä aine puhtaassa tilassaan ennen hapettamista tai reagointia kostean ilman kanssa.

Atomimassa

24,304 g / mol.

Sulamispiste

650 ° C.

Kiehumispiste

1091 ° C.

Tiheys

1,738 g / cm ³ huoneenlämpötilassa. Y 1,584 g / cm ³ on sulamislämpötila; toisin sanoen nestemäinen faasi on vähemmän tiheä kuin kiinteä, kuten tapahtuu suurimmassa osassa yhdisteitä tai aineita.

Fuusion lämpö

848 kJ / mol.

Höyrystymislämpö

128 kJ / mol.

Kaloriarvo

24,869 J / (mol-K).

Höyrynpaine

701 K: n lämpötilassa: 1 Pa; ts. sen höyrynpaine on erittäin alhainen.

elektronegatiivisuus

1.31 Paulingin asteikolla.

Ionisointienergia

Ensimmäinen ionisaatiotaso: 1 737,2 kJ / mol (Mg ⁺ kaasu)

Toinen ionisaatiotaso: 1 450,7 kJ / mol (Mg ²⁺ -kaasu, ja vaatii vähemmän energiaa)

Kolmas ionisaatiotaso: 7 722,7 kJ / mol (Mg ³⁺ -kaasu, ja vaatii paljon energiaa).

Atomiradio

160 pm.

Kovalenttinen säde

141 ± 17 pm

Atomimäärä

13,97 cm ³ / mol.

Lämpölaajeneminen

24,8 um / m · K lämpötilassa 25 ° C.

Lämmönjohtokyky

156 W / m K.

Sähkövastus

43,9 nΩ · m 20 ° C: ssa.

Sähkönjohtavuus

22,4 x 10 ⁶ S cm ³.

Kovuus

2,5 Mohsin asteikolla.

nimistö

Metallisella magnesiumilla ei ole muita määritettyjä nimiä. Sen yhdisteet, koska pidetään suurimmaksi osaksi niiden hapettumislukua +2, mainitaan osakekannan avulla ilman tarvetta ilmaista mainittua lukua suluissa.

Esimerkiksi MgO on magnesiumoksidi eikä magnesium (II) oksidi. Systemaattisen nimikkeistön mukaan edellinen yhdiste on: magnesiummonoksidi eikä monomagne- siummonoksidi.

Perinteisen nimikkeistön puolella sama tapahtuu osakekannan nimikkeistöllä: yhdisteiden nimet päättyvät samalla tavalla; eli jälkiliitteellä –ico. Siten MgO on tämän nimikkeistön mukaan magnesiumoksidi.

Muutoin muilla yhdisteillä voi olla tai ei ole yleisiä tai mineralogisia nimiä, tai ne voivat koostua orgaanisista molekyyleistä (orgaaniset magnesiumyhdisteet), joiden nimikkeistö riippuu molekyylirakenteesta ja alkyyli (R) - tai aryyli (Ar) -substituenteista.

Orgaanisista magnesiumyhdisteistä melkein kaikki ovat Grignard-reagensseja, joiden yleinen kaava on RMgX. Esimerkiksi, BrMgCH ₃ on metyylimagnesiumbromidia. Huomaa, että nimikkeistö ei vaikuta niin monimutkaiselta ensimmäisessä kontaktissa.

Muodot

Alloys

Magnesiota käytetään seoksissa, koska se on kevytmetalli, jota käytetään pääasiassa alumiiniseoksissa, mikä parantaa metallin mekaanisia ominaisuuksia. Sitä on käytetty myös seoksissa, joissa on rautaa.

Sen käyttö seoksissa on kuitenkin vähentynyt sen taipumus syöpyä korkeissa lämpötiloissa.

Mineraalit ja yhdisteet

Reaktiivisuutensa vuoksi sitä ei löydy maankuoren alkuperäisessä tai alkuainemuodossa. Pikemminkin se on osa lukuisia kemiallisia yhdisteitä, jotka puolestaan ​​sijaitsevat noin 60 tunnetussa mineraalissa.

Yleisimpiä magnesiumia sisältäviä mineraaleja ovat:

-Dolomite, joka on kalsiumin ja magnesiumin, MgCO ₃ CaCO ₃

-Magnesite, joka on magnesiumkarbonaatti, CaCO ₃

-Brucite, magnesiumhydroksidi, Mg (OH) ₂

-carnalite, magnesium kaliumkloridi, MgCl ₂ · KCI · H ₂: lla

Se voi olla myös muiden mineraalien muodossa, kuten:

-Kieserite, magnesium- sulfaatti, MgSO ₄ H ₂ O

-Forsteriitti, magnesiumsilikaatti, MgSiO ₄

-Chrisotyl tai asbestia, toinen magnesiumsilikaatti, Mg ₃ Si ₂ O ₅ (OH) ₄

-Talc, Mg ₃ Si ₁₄ O ₁₁₀ (OH) ₂.

isotoopit

Magnesiumi esiintyy luonnossa kolmen luonnollisen isotoopin yhdistelmänä: ²⁴ Mg, runsaasti 79%; ²⁵ Mg, 11%: n runsaudella; ja ²⁶ Mg, 10%: n runsaudella. Lisäksi on 19 keinotekoista radioaktiivista isotooppiä.

Biologinen rooli

Glykolyysivaiheen

Magnesium on välttämätön elementti kaikissa elävissä asioissa. Ihmisillä on päivittäin 300 - 400 mg magnesiumia. Sen kehon pitoisuus on 22–26 g aikuisella ihmisellä, joka on keskittynyt pääasiassa luurankoon (60%).

Glykolyysi on reaktiosarja, jossa glukoosi muuttuu pyruviinihapoksi 2 ATP-molekyylin nettotuotannolla. Pyruvaattikinaasi, heksokinaasi ja fosfofruktikinaasi ovat muun muassa glykolyysi-entsyymejä, jotka käyttävät Mg: tä aktivaattorina.

DNA-

DNA koostuu kahdesta nukleotidiketjusta, joiden rakenteessa on negatiivisesti varautuneet fosfaattiryhmät; siksi DNA-juosteet läpikäyvät sähköstaattisen heikentymisen. Na ⁺, K ⁺ ja Mg2 ⁺ -ionit neutraloivat negatiiviset varaukset estäen ketjujen dissosioitumisen.

ATP

ATP-molekyylissä on fosfaattiryhmiä, joissa on negatiivisesti varautuneet happiatomit. Vierekkäisten happiatomien välillä tapahtuu sähköinen heijastus, joka voisi katkaista ATP-molekyylin.

Tätä ei tapahdu, koska magnesium on vuorovaikutuksessa viereisten happiatomien kanssa muodostaen kelaatin. ATP-Mg: n sanotaan olevan ATP: n aktiivinen muoto.

Fotosynteesi

Magnesium on välttämätöntä fotosynteesille, keskeinen prosessi kasvien energiankäytössä. Se on osa klorofylliä, jonka sisäpuolella rakenne on samanlainen kuin hemoglobiinin hemiryhmä; mutta jossa on magnesiumatomi keskustassa rautaatomin sijasta.

Klorofylli imee kevyttä energiaa ja käyttää sitä fotosynteesissä hiilidioksidin ja veden muuntamiseksi glukoosiksi ja happeksi. Glukoosia ja happea käytetään myöhemmin energian tuotannossa.

organismi

Plasman magnesiumpitoisuuden lasku liittyy lihaskouristuksiin; sydän- ja verisuonisairaudet, kuten hypertensio; diabetes, osteoporoosi ja muut sairaudet.

Magnesiumioni osallistuu hermosolujen kalsiumkanavien toiminnan säätelyyn. Korkeissa pitoisuuksissa se estää kalsiumkanavan. Päinvastoin, kalsiumin väheneminen tuottaa hermon aktivoinnin antamalla kalsiumille päästä soluihin.

Tämä selittäisi tärkeimpien verisuonten seinämien lihassolujen kouristuksen ja supistumisen.

Mistä löytää ja tuotanto

Magnesiota ei löydy luonnossa alkuaineena, mutta se on osa noin 60 mineraalista ja monista yhdisteistä, jotka sijaitsevat meressä, kallioissa ja suolavedessä.

Meren magnesiumpitoisuus on 0,13%. Koonsa vuoksi meri on maailman tärkein magnesiumvarasto. Muita magneesiinisäiliöitä ovat Suuri Suolajärvi (USA), jonka magnesiumpitoisuus on 1,1%, ja Kuollutmeri, jonka pitoisuus on 3,4%.

Magnesiummineraalit, dolomiitti ja magnesiitti, uutetaan sen suoneista perinteisillä kaivosmenetelmillä. Samaan aikaan karnaliitissa käytetään liuoksia, jotka sallivat muiden suolojen nousta pintaan pitäen karnaliitin taustalla.

Magnesiumia sisältävät suolavedet väkevöidään lammikoissa aurinkolämmityksellä.

Magnesiumi saadaan kahdella menetelmällä: elektrolyysillä ja termisellä pelkistyksellä (Pidgeon-prosessi).

elektrolyysin

Sulatettuja suoloja, jotka sisältävät joko vedettömän magnesiumkloridin, osittain dehydratoidun vedettömän magnesiumkloridin tai mineraalittoman vedetön karnaliitin, käytetään elektrolyysiprosesseissa. Joissakin tapauksissa luonnollisen karnaliitin saastumisen välttämiseksi käytetään keinotekoista.

Magnesiumkloridia voidaan saada myös noudattamalla Dow-yhtiön suunnittelemaa menettelyä. Vesi sekoitetaan flokkulaattorissa hiukan kalsinoidun mineraalidolomiitin kanssa.

Seoksessa oleva magnesiumkloridi muutetaan Mg (OH) ₂: ksi lisäämällä kalsiumhydroksidia seuraavan reaktion mukaisesti:

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

Saostunut magnesiumhydroksidi käsitellään kloorivetyhapolla, jolloin saadaan magnesiumkloridia ja vettä esitetyn kemiallisen reaktion mukaisesti:

Mg (OH) ₂ + 2 HCI: → MgCl ₂ + 2 H ₂ O

Sitten magnesiumkloridille suoritetaan dehydraatioprosessi, kunnes hydraatio on saavuttanut 25%, ja loppuun suoritetaan dehydraatio sulatusprosessin aikana. Elektrolyysi suoritetaan lämpötilassa, joka vaihtelee välillä 680-750 ºC.

MgCl ₂ → Mg + CI ₂

Diatominen kloori syntyy anodilla ja sula magnesium kelluu suolojen yläosaan, missä se kerätään.

Terminen pelkistys

Sen höyryistä kerrostuneet magnesiumkiteet. Lähde: Warut Roonguthai Pidgeon-prosessissa jauhettu ja kalsinoitu dolomiitti sekoitetaan hienoksi jauhettuun ferrosiliiniin ja asetetaan lieriömäiseen nikkeli-kromi-rauta-jälkikäteen. Jälkiasennot sijoitetaan uunin sisälle ja ovat sarjassa uunin ulkopuolella olevien lauhduttimien kanssa.

Reaktio tapahtuu lämpötilassa 1200 ° C ja matalassa paineessa 13 Pa. Magnesiokiteet poistetaan lauhduttimista. Tuotettu kuona kerätään jälkityökalujen pohjasta.

2 CaO + 2 MgO + Si → 2 Mg (kaasumainen) + Ca ₂ SiO ₄ (kuona)

Kalsium- ja magnesiumoksideja tuotetaan kalsinoimalla dolomiitissa olevia kalsium- ja magnesiumkarbonaatteja.

reaktiot

Magnesium reagoi voimakkaasti happojen, erityisesti happojen, kanssa. Sen reaktio typpihapon kanssa tuottaa magnesiumnitraattia, Mg (NO ₃) ₂. Samalla tavalla se reagoi suolahapon kanssa tuottaen magnesiumkloridia ja vetykaasua.

Magnesium ei reagoi emästen, kuten natriumhydroksidin, kanssa. Huoneenlämpötilassa se peitetään veteen liukenemattomalla magnesiumoksidikerroksella, joka suojaa sitä korroosiolta.

Se muodostaa kemiallisia yhdisteitä muun muassa kloorin, hapen, typen ja rikin kanssa. Se on erittäin reaktiivinen hapen kanssa korkeissa lämpötiloissa.

Sovellukset

- Alkuperäinen magnesium

Alloys

Magnesioseoksia on käytetty lentokoneissa ja autoissa. Viimeksi mainituilla on vaatimus saastuttavien kaasupäästöjen vähentämiseksi moottoriajoneuvojen painon alenemisesta.

Magnesiumsovellukset perustuvat sen kevyeen painoon, korkeaan lujuuteen ja metalliseosten valmistuksen helppoon. Sovelluksia ovat käsityökalut, urheiluvälineet, kamerat, laitteet, matkalaukkujen kehykset, autonosat, ilmailu- ja avaruusteollisuuden tuotteet.

Magnesioseoksia käytetään myös lentokoneiden, rakettien ja avaruussatelliittien valmistuksessa, samoin kuin valonsyövytyksessä nopean ja hallitun kaiverruksen valmistamiseksi.

Metallurgia

Magnesiota lisätään pienessä määrin valurautaa, mikä parantaa sen lujuutta ja muovattavuutta. Lisäksi nestemäiseen masuuniin rautaan lisätään kalkin kanssa sekoitettua magnesiumia, mikä parantaa teräksen mekaanisia ominaisuuksia.

Magnesium osallistuu titaanin, uraanin ja hafniumin tuotantoon. Se toimii pelkistimenä titaanitetrakloridissa Kroll-prosessissa, jolloin syntyy titaania.

Sähkökemia

Magnesiota käytetään kuivassa kennossa, joka toimii anodina ja hopeakloridi katodina. Kun magnesium joutuu sähköiseen kosketukseen teräksen kanssa veden läsnä ollessa, se syövyttää uhrautuvasti jättäen teräksen ehjäksi.

Tämän tyyppinen terässuojaus esiintyy aluksissa, varastosäiliöissä, vedenlämmittimissä, siltarakenteissa jne.

Pyrotekniikka

Jauheen tai nauhan muodossa oleva magnesium palovammoja, säteileen erittäin voimakasta valkoista valoa. Tätä ominaisuutta on käytetty sotilaallisessa pyrotekniikassa tulipalojen sytyttämiseen tai soihduttamiseen.

Sen hienojakoista kiinteää ainetta on käytetty polttoainekomponenttina, erityisesti kiinteissä rakettien polttoaineissa.

- Yhdisteet

Magnesiumkarbonaatti

Sitä käytetään kattiloiden ja putkien lämpöeristeenä. Koska se on hygroskooppinen ja liukenee veteen, sitä käytetään estämään tavallinen suola tiivistymään suola ravistimissa eikä virtaamasta kunnolla ruoan maustamisen aikana.

Magnesiumhydroksidi

Sitä voidaan käyttää palonestoaineena. Veteen liuotettuna se muodostaa tunnettua magnesiummaitoa, valkeahtavaa suspensiota, jota on käytetty antasidina ja laksatiivina.

Magnesiumkloridi

Sitä käytetään erittäin lujan lattiasementin valmistuksessa sekä lisäaineena tekstiilien valmistuksessa. Lisäksi sitä käytetään flokkulanttina soijamaitossa tofun tuotantoon.

Magnesiumoksidi

Sitä käytetään tulenkestävien tiilien valmistuksessa kestämään korkeita lämpötiloja sekä lämpö- ja sähköeristeenä. Sitä käytetään myös laksatiivina ja antasidina.

Magnesiumsulfaatti

Sitä käytetään teollisesti sementin ja lannoitteiden valmistukseen, parkitsemiseen ja värjäykseen. Se on myös kuivausainetta. Epsom-suola, MgSO ₄ · 7H ₂ O, käytetään ulostuttava.

- Mineraalit

talkki

Sitä pidetään vähiten kovuusstandardina (1) Mohsin asteikolla. Se toimii täyteaineena paperin ja pahvin valmistuksessa, ja estää myös ihon ärsytystä ja nesteytystä. Sitä käytetään kuumuutta kestävien materiaalien valmistuksessa ja monien kosmetiikassa käytettävien jauheiden pohjana.

Krysotiili tai asbesti

Sitä on käytetty lämpöeristeenä ja rakennusteollisuudessa kattojen valmistukseen. Tällä hetkellä sitä ei käytetä keuhkosyöpäkuitujensa vuoksi.

Viitteet

1. Mathews, CK, van Holde, KE ja Ahern, KG (2002). Biokemia. 3 ^oli painos. Toimituksellinen Pearson Educación, SA
2. Wikipedia. (2019). Magnesium. Palautettu osoitteesta: en.wikipedia.org
3. Clark J. (2012). Metallinen liimaus. Palautettu: kemguide.co.uk
4. Hull AW (1917). Magnesiumin kiderakenne. Amerikan yhdysvaltojen kansallisen tiedeakatemian julkaisut, 3 (7), 470–473. doi: 10.1073 / pnas.3.7.470
5. Timothy P. Hanusa. (7. helmikuuta 2019). Magnesium. Encyclopædia Britannica. Palautettu osoitteesta: britannica.com
6. Hangzhou LookChem Network Technology Co (2008). Magnesium. Palautettu sivustolta: lookchem.com