MAGNESIUM: GESCHICHTE, STRUKTUR, EIGENSCHAFTEN, REAKTIONEN, VERWENDUNGEN - CHEMIE - 2024

Das Magnesium ist Erdalkalimetall der Gruppe 2 des Periodensystems. Seine Ordnungszahl ist 12 und es wird durch das chemische Symbol Mg dargestellt. Es ist das achthäufigste Element in der Erdkruste, etwa 2,5% davon.

Dieses Metall kommt wie seine Kongenere und Alkalimetalle in seinem natürlichen Zustand nicht in der Natur vor, sondern verbindet sich mit anderen Elementen zu zahlreichen Verbindungen, die in Gesteinen, Meerwasser und in Salzlake vorhanden sind.

Alltagsgegenstände aus Magnesium. Quelle: Firetwister aus Wikipedia.

Magnesium ist Teil von Mineralien wie Dolomit (Calcium- und Magnesiumcarbonat), Magnesit (Magnesiumcarbonat), Carnalit (Magnesium- und Kaliumchloridhexahydrat), Brucit (Magnesiumhydroxid) und in Silikaten wie Talk und Olivin.

Die reichste natürliche Quelle für ihre Ausdehnung ist das Meer mit einer Häufigkeit von 0,13%, obwohl der Große Salzsee (1,1%) und das Tote Meer (3,4%) eine höhere Magnesiumkonzentration aufweisen. Es gibt Salzlösungen mit einem hohen Gehalt, die durch Verdunstung konzentriert werden.

Der Name Magnesium leitet sich wahrscheinlich von Magnesit ab, das in Magnesia in der Region Thessalien, der antiken Region Griechenlands, gefunden wurde. Es wurde jedoch darauf hingewiesen, dass Magnetit und Mangan in derselben Region gefunden wurden.

Magnesium reagiert bei Temperaturen über 645 ° C stark mit Sauerstoff. Währenddessen brennt Magnesiumpulver in trockener Luft und gibt ein intensives weißes Licht ab. Aus diesem Grund wurde es als Lichtquelle in der Fotografie verwendet. Derzeit wird diese Eigenschaft noch in der Pyrotechnik verwendet.

Es ist ein wesentliches Element für Lebewesen. Es ist bekannt, dass es ein Cofaktor für mehr als 300 Enzyme ist, einschließlich mehrerer Glykolyseenzyme. Dies ist ein lebenswichtiger Prozess für Lebewesen aufgrund seiner Beziehung zur Produktion von ATP, der wichtigsten zellulären Energiequelle.

Ebenso ist es Teil eines Komplexes, der der in Chlorophyll vorhandenen Hämgruppe des Hämoglobins ähnlich ist. Dies ist ein Pigment, das an der Realisierung der Photosynthese beteiligt ist.

Geschichte

Anerkennung

Joseph Black, ein schottischer Chemiker, erkannte es 1755 als ein Element und zeigte experimentell, dass es sich von Kalzium unterschied, einem Metall, mit dem sie es verwechselten.

In diesem Zusammenhang schrieb Black: "Wir sehen bereits experimentell, dass Magnesia alba (Magnesiumcarbonat) eine Verbindung aus einer besonderen Erde und fester Luft ist."

Isolation

1808 gelang es Sir Humprey Davy, es durch Elektrolyse zu isolieren, um ein Amalgam aus Magnesium und Quecksilber herzustellen. Dies geschah durch Elektrolyse seines feuchten Sulfatsalzes unter Verwendung von Quecksilber als Kathode. Anschließend verdampfte es das Quecksilber durch Erhitzen aus dem Malgam und hinterließ den Magnesiumrückstand.

A. Bussy, ein französischer Wissenschaftler, gelang es 1833, das erste metallische Magnesium herzustellen. Zu diesem Zweck produzierte Bussy die Reduktion von geschmolzenem Magnesiumchlorid mit metallischem Kalium.

1833 nutzte der britische Wissenschaftler Michael Faraday erstmals die Elektrolyse von Magnesiumchlorid, um dieses Metall zu isolieren.

Produktion

1886 verwendete die deutsche Firma Aluminium und Magnesiumfabrik Hemelingen die Elektrolyse von geschmolzenem Carnalit (MgCl ₂ · KCl · 6H ₂ O) zur Herstellung von Magnesium.

In Zusammenarbeit mit dem IG Industrie (Farbe Industrie Complex) gelang es Hemelingen, eine Technik zur Herstellung großer Mengen geschmolzenen Magnesiumchlorids für die Elektrolyse zur Herstellung von Magnesium und Chlor zu entwickeln.

Während des Zweiten Weltkriegs begannen die Dow Chemical Company (USA) und Magnesium Elektron LTD (UK) mit der elektrolytischen Reduktion von Meerwasser. gepumpt von Galveston Bay, Texas und in der Nordsee nach Hartlepool, England, zur Herstellung von Magnesium.

Gleichzeitig entwickelt Ontario (Kanada) eine Technik zur Herstellung, die auf dem LM Pidgeon-Verfahren basiert. Die Technik besteht in der thermischen Reduktion von Magnesiumoxid mit Silikaten in extern gebrannten Retorten.

Struktur und Elektronenkonfiguration von Magnesium

Magnesium kristallisiert in einer kompakten hexagonalen Struktur, in der jedes seiner Atome von zwölf Nachbarn umgeben ist. Dies macht es dichter als andere Metalle wie Lithium oder Natrium.

Seine elektronische Konfiguration ist 3s ² mit zwei Valenzelektronen und zehn der inneren Hülle. Durch ein zusätzliches Elektron im Vergleich zu Natrium wird seine metallische Bindung stärker.

Dies liegt daran, dass das Atom kleiner ist und sein Kern ein weiteres Proton hat; Daher üben sie eine größere Anziehungskraft auf die Elektronen benachbarter Atome aus, wodurch sich die Abstände zwischen ihnen verringern. Da es zwei Elektronen gibt, ist das resultierende 3s-Band voll und es kann die Anziehungskraft der Kerne noch mehr spüren.

Dann legen die Mg-Atome einen dichten hexagonalen Kristall mit einer starken metallischen Bindung. Dies erklärt seinen viel höheren Schmelzpunkt (650 ºC) als den von Natrium (98 ºC).

Alle 3s-Orbitale aller Atome und ihrer zwölf Nachbarn überlappen sich in alle Richtungen innerhalb des Kristalls, und die beiden Elektronen gehen, wenn zwei andere kommen. usw., ohne dass die Mg ²⁺ -Kationen entstehen können .

Oxidationszahlen

Magnesium kann zwei Elektronen verlieren, wenn es Verbindungen bildet, und als Mg ²⁺ -Kation verbleiben , das für das Edelgas Neon isoelektronisch ist. In Anbetracht seiner Anwesenheit in einer Verbindung beträgt die Oxidationszahl von Magnesium +2.

Andererseits und obwohl weniger häufig, kann das Mg ⁺ -Kation gebildet werden , das nur eines seiner beiden Elektronen verloren hat und gegenüber Natrium isoelektronisch ist. Wenn seine Anwesenheit in einer Verbindung angenommen wird, soll Magnesium eine Oxidationszahl von +1 haben.

Eigenschaften

Aussehen

Brillanter weißer Feststoff in reinem Zustand, bevor er oxidiert oder mit feuchter Luft reagiert.

Atommasse

24,304 g / mol.

Schmelzpunkt

650 ° C.

Siedepunkt

1.091 ° C.

Dichte

1,738 g / cm ³ bei Raumtemperatur. Y 1,584 g / cm ³ bei Schmelztemperatur; Das heißt, die flüssige Phase ist weniger dicht als der Feststoff, wie dies bei der überwiegenden Mehrheit der Verbindungen oder Substanzen der Fall ist.

Schmelzwärme

848 kJ / mol.

Verdampfungswärme

128 kJ / mol.

Molare Kalorienkapazität

24,869 J / (mol · K).

Dampfdruck

Bei 701 K: 1 Pa; das heißt, sein Dampfdruck ist sehr niedrig.

Elektronegativität

1,31 auf der Pauling-Skala.

Ionisationsenergie

Erster Ionisationsgrad: 1.737,2 kJ / mol (Mg ⁺ Gas)

Zweiter Ionisationsgrad: 1.450,7 kJ / mol (Mg ²⁺ -Gas und benötigt weniger Energie)

Dritte Ionisationsstufe: 7.732,7 kJ / mol (Mg ³⁺ -Gas und benötigt viel Energie).

Atomradio

160 Uhr.

Kovalenter Radius

141 ± 17 Uhr

Atomvolumen

13,97 cm ³ / mol.

Wärmeausdehnung

24,8 um / m · K bei 25ºC.

Wärmeleitfähigkeit

156 W / m K.

Elektrischer widerstand

43,9 nΩ · m bei 20 ° C.

Elektrische Leitfähigkeit

22,4 × 10 ⁶ S cm ³ .

Härte

2,5 auf der Mohs-Skala.

Nomenklatur

Metallisches Magnesium hat keine anderen Namen. Seine Verbindungen werden unter Verwendung der Stammnomenklatur erwähnt, ohne dass diese Zahl in Klammern angegeben werden muss, da angenommen wird, dass sie in der Mehrzahl eine Oxidationszahl von +2 aufweisen.

Beispielsweise ist MgO Magnesiumoxid und nicht Magnesium (II) oxid. Gemäß der systematischen Nomenklatur lautet die vorherige Verbindung: Magnesiummonoxid und nicht Monomagnesiummonoxid.

Auf der Seite der traditionellen Nomenklatur passiert dasselbe mit der Aktiennomenklatur: Die Namen der Verbindungen enden auf die gleiche Weise; das heißt, mit dem Suffix –ico. Somit ist MgO gemäß dieser Nomenklatur Magnesiumoxid.

Andernfalls können die anderen Verbindungen gebräuchliche oder mineralogische Namen haben oder nicht, oder sie bestehen aus organischen Molekülen (Organomagnesiumverbindungen), deren Nomenklatur von der Molekülstruktur und den Alkyl (R) - oder Aryl (Ar) -Substituenten abhängt.

Bei Organomagnesiumverbindungen handelt es sich bei fast allen um Grignard-Reagenzien mit der allgemeinen Formel RMgX. Beispielsweise ist BrMgCH ₃ Methylmagnesiumbromid. Beachten Sie, dass die Nomenklatur bei einem ersten Kontakt nicht so kompliziert erscheint.

Formen

Legierungen

Magnesium wird in Legierungen verwendet, da es ein Leichtmetall ist, das hauptsächlich in Legierungen mit Aluminium verwendet wird, wodurch die mechanischen Eigenschaften dieses Metalls verbessert werden. Es wurde auch in Legierungen mit Eisen verwendet.

Die Verwendung in Legierungen hat jedoch aufgrund seiner Tendenz zur Korrosion bei hohen Temperaturen abgenommen.

Mineralien und Verbindungen

Aufgrund seiner Reaktivität kommt es in seiner natürlichen oder elementaren Form nicht in der Erdkruste vor. Es ist vielmehr Teil zahlreicher chemischer Verbindungen, die sich wiederum in etwa 60 bekannten Mineralien befinden.

Zu den häufigsten Mineralien von Magnesium gehören:

-Dolomit, ein Carbonat aus Calcium und Magnesium, MgCO ₃ CaCO ₃

-Magnesit, ein Magnesiumcarbonat, CaCO ₃

-Brucit, ein Magnesiumhydroxid, Mg (OH) ₂

-Carnalit, ein Magnesiumkaliumchlorid, MgCl ₂ · KCl · H ₂ O.

Es kann auch in Form anderer Mineralien vorliegen, wie z.

-Kieserit, ein Magnesiumsulfat, MgSO ₄ H ₂ O.

-Forsterit, ein Magnesiumsilikat, MgSiO ₄

-Chrisotyl oder Asbest, ein anderes Magnesiumsilikat, Mg ₃ Si ₂ O ₅ (OH) ₄

-Talc, Mg ₃ Si ₁₄ O ₁₁₀ (OH) ₂ .

Isotope

Magnesium kommt in der Natur als Kombination von drei natürlichen Isotopen vor: ²⁴ mg mit 79% Häufigkeit; ²⁵ mg mit 11% Häufigkeit; und ²⁶ Mg mit 10% Häufigkeit. Darüber hinaus gibt es 19 künstliche radioaktive Isotope.

Biologische Rolle

Glykolyse

Magnesium ist ein wesentliches Element für alle Lebewesen. Menschen haben eine tägliche Aufnahme von 300 - 400 mg Magnesium. Sein Körpergehalt liegt bei einem erwachsenen Menschen zwischen 22 und 26 g, hauptsächlich im Knochenskelett (60%).

Glykolyse ist eine Folge von Reaktionen, bei denen Glukose in Brenztraubensäure umgewandelt wird, wobei 2 ATP-Moleküle netto produziert werden. Pyruvatkinase, Hexokinase und Phosphofructkinase sind unter anderem Enzyme der Glykolyse, die Mg als Aktivator verwenden.

DNA

DNA besteht aus zwei Nukleotidketten, deren Struktur negativ geladene Phosphatgruppen aufweist; Daher werden die DNA-Stränge elektrostatisch abgestoßen. Die Na ^{+ -} , K ^{+ -} und Mg ²⁺ -Ionen neutralisieren die negativen Ladungen und verhindern die Dissoziation der Ketten.

ATP

Das ATP-Molekül hat Phosphatgruppen mit negativ geladenen Sauerstoffatomen. Zwischen benachbarten Sauerstoffatomen tritt eine elektrische Abstoßung auf, die das ATP-Molekül spalten könnte.

Dies geschieht nicht, weil Magnesium mit benachbarten Sauerstoffatomen unter Bildung eines Chelats interagiert. ATP-Mg soll die aktive Form von ATP sein.

Photosynthese

Magnesium ist wichtig für die Photosynthese, ein zentraler Prozess bei der Nutzung von Energie durch Pflanzen. Es ist Teil von Chlorophyll, das in seinem Inneren eine ähnliche Struktur wie die Hämgruppe des Hämoglobins aufweist. aber mit einem Magnesiumatom in der Mitte anstelle eines Eisenatoms.

Chlorophyll absorbiert Lichtenergie und verwendet sie bei der Photosynthese, um Kohlendioxid und Wasser in Glukose und Sauerstoff umzuwandeln. Glukose und Sauerstoff werden später zur Energieerzeugung verwendet.

Organismus

Eine Abnahme der Plasmamagnesiumkonzentration ist mit Muskelkrämpfen verbunden; Herz-Kreislauf-Erkrankungen wie Bluthochdruck; Diabetes, Osteoporose und andere Krankheiten.

Das Magnesiumion ist an der Regulierung der Funktion von Kalziumkanälen in Nervenzellen beteiligt. Bei hohen Konzentrationen blockiert es den Kalziumkanal. Im Gegenteil, eine Abnahme des Kalziums bewirkt eine Aktivierung des Nervs, indem Kalzium in die Zellen gelangen kann.

Dies würde den Krampf und die Kontraktion der Muskelzellen in den Wänden der Hauptblutgefäße erklären.

Wo zu finden und zu produzieren

Magnesium kommt in der Natur nicht in einem elementaren Zustand vor, sondern ist Teil von ungefähr 60 Mineralien und zahlreichen Verbindungen, die sich im Meer, in Gesteinen und in Salzlaken befinden.

Das Meer hat eine Magnesiumkonzentration von 0,13%. Aufgrund seiner Größe ist das Meer das weltweit größte Magnesiumreservoir. Weitere Magnesiumreservoirs sind der Great Salt Lake (USA) mit einer Magnesiumkonzentration von 1,1% und das Tote Meer mit einer Konzentration von 3,4%.

Die Magnesiummineralien Dolomit und Magnesit werden mit traditionellen Bergbaumethoden aus ihren Adern gewonnen. In der Zwischenzeit werden in Carnalit Lösungen verwendet, die es den anderen Salzen ermöglichen, an die Oberfläche zu steigen und den Carnalit im Hintergrund zu halten.

Magnesiumhaltige Salzlösungen werden mit Solarwärme in Teichen konzentriert.

Magnesium wird durch zwei Methoden erhalten: Elektrolyse und thermische Reduktion (Pidgeon-Verfahren).

Elektrolyse

In den Elektrolyseverfahren werden geschmolzene Salze verwendet, die entweder wasserfreies Magnesiumchlorid, teilweise dehydriertes wasserfreies Magnesiumchlorid oder das Mineral wasserfreier Carnalit enthalten. Unter bestimmten Umständen wird der künstliche verwendet, um eine Kontamination des natürlichen Carnalits zu vermeiden.

Magnesiumchlorid kann auch nach dem von der Firma Dow entwickelten Verfahren erhalten werden. Das Wasser wird in einem Flockungsmittel mit dem leicht kalzinierten Mineral Dolomit gemischt.

Das in der Mischung vorhandene Magnesiumchlorid wird durch Zugabe von Calciumhydroxid gemäß der folgenden Reaktion in Mg (OH) _{2 umgewandelt} :

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

Das ausgefällte Magnesiumhydroxid wird mit Salzsäure behandelt, wobei Magnesiumchlorid und Wasser gemäß der beschriebenen chemischen Reaktion erzeugt werden:

Mg (OH) ₂ + 2 HCl → MgCl ₂ + 2 H ₂ O.

Dann wird das Magnesiumchlorid einem Dehydratisierungsprozess unterzogen, bis eine Hydratisierung von 25% erreicht ist, wodurch die Dehydratisierung während des Schmelzprozesses abgeschlossen wird. Die Elektrolyse wird bei einer Temperatur zwischen 680 und 750 ºC durchgeführt.

MgCl ₂ → Mg + Cl ₂

An der Anode wird zweiatomiges Chlor erzeugt, und geschmolzenes Magnesium schwimmt auf die Salze, wo es gesammelt wird.

Thermische Reduktion

Aus seinen Dämpfen abgelagerte Magnesiumkristalle. Quelle: Warut Roonguthai Beim Pidgeon-Verfahren wird gemahlener und kalzinierter Dolomit mit fein gemahlenem Ferrosilicium gemischt und in zylindrische Nickel-Chrom-Eisen-Retorten gegeben. Die Retorten befinden sich in einem Ofen und sind in Reihe mit Kondensatoren angeordnet, die sich außerhalb des Ofens befinden.

Die Reaktion findet bei einer Temperatur von 1200 ° C und einem niedrigen Druck von 13 Pa statt. Die Magnesiumkristalle werden aus den Kondensatoren entfernt. Die erzeugte Schlacke wird vom Boden der Retorten gesammelt.

2 CaO + 2 MgO + Si → 2 Mg (gasförmig) + Ca ₂ SiO ₄ (Schlacke)

Calcium- und Magnesiumoxide entstehen durch Kalzinierung von in Dolomit enthaltenen Calcium- und Magnesiumcarbonaten.

Reaktionen

Magnesium reagiert heftig mit Säuren, insbesondere Oxaciden. Bei seiner Reaktion mit Salpetersäure entsteht Magnesiumnitrat, Mg (NO ₃ ) ₂ . In gleicher Weise reagiert es mit Salzsäure unter Bildung von Magnesiumchlorid und Wasserstoffgas.

Magnesium reagiert nicht mit Laugen wie Natriumhydroxid. Bei Raumtemperatur ist es mit einer wasserunlöslichen Magnesiumoxidschicht bedeckt, die es vor Korrosion schützt.

Es bildet unter anderem mit Chlor, Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel chemische Verbindungen. Es ist bei hohen Temperaturen hochreaktiv mit Sauerstoff.

Anwendungen

- Elementares Magnesium

Legierungen

Magnesiumlegierungen wurden in Flugzeugen und Automobilen verwendet. Letztere haben als Voraussetzung für die Kontrolle der Schadgasemissionen eine Gewichtsreduzierung von Kraftfahrzeugen.

Magnesiumanwendungen basieren auf dem geringen Gewicht, der hohen Festigkeit und der einfachen Herstellung von Legierungen. Zu den Anwendungen gehören Handwerkzeuge, Sportartikel, Kameras, Geräte, Gepäckrahmen, Autoteile und Artikel für die Luft- und Raumfahrtindustrie.

Magnesiumlegierungen werden auch bei der Herstellung von Flugzeugen, Raketen und Weltraumsatelliten sowie beim Fotoätzen zur Herstellung einer schnellen und kontrollierten Gravur verwendet.

Metallurgie

Magnesium wird in geringer Menge zu Gusseisen hinzugefügt, wodurch seine Festigkeit und Formbarkeit verbessert werden. Zusätzlich wird mit Kalk vermischtes Magnesium in flüssiges Hochofeneisen injiziert, wodurch die mechanischen Eigenschaften des Stahls verbessert werden.

Magnesium ist an der Herstellung von Titan, Uran und Hafnium beteiligt. Es wirkt als Reduktionsmittel auf Titantetrachlorid im Kroll-Verfahren, wodurch Titan entsteht.

Elektrochemie

Magnesium wird in einer Trockenzelle als Anode und Silberchlorid als Kathode verwendet. Wenn Magnesium in Gegenwart von Wasser mit Stahl in elektrischen Kontakt kommt, korrodiert es aufopferungsvoll und lässt den Stahl intakt.

Diese Art von Stahlschutz ist in Schiffen, Lagertanks, Warmwasserbereitern, Brückenkonstruktionen usw. vorhanden.

Pyrotechnik

Magnesium in Pulver- oder Streifenform verbrennt und strahlt ein sehr intensives weißes Licht aus. Diese Eigenschaft wurde in der militärischen Pyrotechnik zum Setzen von Feuer oder zum Anzünden durch Fackeln verwendet.

Sein feinteiliger Feststoff wurde als Brennstoffkomponente verwendet, insbesondere in Feststoffraketentreibstoffen.

- Verbindungen

Magnesiumcarbonat

Es wird als Wärmeisolator für Kessel und Rohre verwendet. Da es hygroskopisch und wasserlöslich ist, wird es verwendet, um zu verhindern, dass sich Kochsalz in den Salzstreuern verdichtet und beim Würzen von Lebensmitteln nicht richtig fließt.

Magnesiumhydroxid

Es hat Anwendung als Flammschutzmittel. In Wasser gelöst bildet es die bekannte Magnesia-Milch, eine weißliche Suspension, die als Antazida und Abführmittel verwendet wurde.

Magnesiumchlorid

Es wird zur Herstellung von hochfestem Bodenzement sowie als Additiv zur Herstellung von Textilien verwendet. Darüber hinaus wird es als Flockungsmittel in Sojamilch zur Herstellung von Tofu verwendet.

Magnesiumoxid

Es wird bei der Herstellung von feuerfesten Ziegeln verwendet, um hohen Temperaturen zu widerstehen und als thermischer und elektrischer Isolator. Es wird auch als Abführmittel und Antazida verwendet.

Magnesiumsulfat

Es wird industriell zur Herstellung von Zement und Düngemitteln, zum Gerben und Färben verwendet. Es ist auch ein Trockenmittel. Das Bittersalz MgSO ₄ · 7H ₂ O wird als Abführmittel verwendet.

- Mineralien

Talkum Puder

Es wird als der Standard mit der geringsten Härte (1) auf der Mohs-Skala angenommen. Es dient als Füllstoff bei der Herstellung von Papier und Pappe sowie zur Vorbeugung von Hautreizungen und -feuchtigkeit. Es wird zur Herstellung hitzebeständiger Materialien und als Basis für viele in der Kosmetik verwendete Pulver verwendet.

Chrysotil oder Asbest

Es wurde als Wärmeisolator und in der Bauindustrie zur Herstellung von Decken verwendet. Derzeit wird es aufgrund seiner Lungenkrebsfasern nicht verwendet.

Verweise

1. Mathews, CK, van Holde, KE und Ahern, KG (2002). Biochemie. 3 ^war Ausgabe. Editorial Pearson Educación, SA
2. Wikipedia. (2019). Magnesium. Wiederhergestellt von: en.wikipedia.org
3. Clark J. (2012). Metallische Bindung. Wiederhergestellt von: chemguide.co.uk
4. Rumpf AW (1917). Die Kristallstruktur von Magnesium. Verfahren der National Academy of Sciences der Vereinigten Staaten von Amerika, 3 (7), 470–473. doi: 10.1073 / pnas.3.7.470
5. Timothy P. Hanusa. (7. Februar 2019). Magnesium. Encyclopædia Britannica. Wiederhergestellt von: britannica.com
6. Hangzhou LookChem Network Technology Co. (2008). Magnesium. Wiederhergestellt von: lookchem.com