Magnesium -Magnesium
Magnesium | ||||||||||||||||||||||||||||||
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Aussprache |
/ m æ ɡ ˈ n iː z i ə m / ( mag- NEE -zee- əm ) |
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Aussehen | glänzend grauer Feststoff | |||||||||||||||||||||||||||||
Standardatomgewicht A r °(Mg) | ||||||||||||||||||||||||||||||
Magnesium im Periodensystem | ||||||||||||||||||||||||||||||
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Ordnungszahl ( Z ) | 12 | |||||||||||||||||||||||||||||
Gruppe | Gruppe 2 (Erdalkalimetalle) | |||||||||||||||||||||||||||||
Zeitraum | Zeitraum 3 | |||||||||||||||||||||||||||||
Block | S-Block | |||||||||||||||||||||||||||||
Elektronenkonfiguration | [ Ne ] 3s 2 | |||||||||||||||||||||||||||||
Elektronen pro Schale | 2, 8, 2 | |||||||||||||||||||||||||||||
Physikalische Eigenschaften | ||||||||||||||||||||||||||||||
Phase bei STP | solide | |||||||||||||||||||||||||||||
Schmelzpunkt | 923 K (650 °C, 1202 °F) | |||||||||||||||||||||||||||||
Siedepunkt | 1363 K (1091 °C, 1994 °F) | |||||||||||||||||||||||||||||
Dichte (nahe RT ) | 1,738 g/ cm³ | |||||||||||||||||||||||||||||
wenn flüssig (bei mp ) | 1,584 g/ cm3 | |||||||||||||||||||||||||||||
Schmelzwärme | 8,48 kJ/mol | |||||||||||||||||||||||||||||
Verdampfungswärme | 128 kJ/mol | |||||||||||||||||||||||||||||
Molare Wärmekapazität | 24,869 J/(mol·K) | |||||||||||||||||||||||||||||
Dampfdruck
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Atomare Eigenschaften | ||||||||||||||||||||||||||||||
Oxidationszustände | 0, +1, +2 (ein stark basisches Oxid) | |||||||||||||||||||||||||||||
Elektronegativität | Pauling-Skala: 1,31 | |||||||||||||||||||||||||||||
Ionisationsenergien | ||||||||||||||||||||||||||||||
Atomradius | empirisch: 160 Uhr | |||||||||||||||||||||||||||||
Kovalenter Radius | 141±19 Uhr | |||||||||||||||||||||||||||||
Van-der-Waals-Radius | 173 Uhr | |||||||||||||||||||||||||||||
Spektrallinien von Magnesium | ||||||||||||||||||||||||||||||
Andere Eigenschaften | ||||||||||||||||||||||||||||||
Natürliches Vorkommen | ursprünglich | |||||||||||||||||||||||||||||
Kristallstruktur | hexagonal dicht gepackt (hcp) | |||||||||||||||||||||||||||||
Schallgeschwindigkeit dünner Stab | 4940 m/s (bei RT ) (geglüht) | |||||||||||||||||||||||||||||
Wärmeausdehnung | 24,8 µm/(m⋅K) (bei 25 °C) | |||||||||||||||||||||||||||||
Wärmeleitfähigkeit | 156 W/(m⋅K) | |||||||||||||||||||||||||||||
Elektrischer widerstand | 43,9 nΩ⋅m (bei 20 °C) | |||||||||||||||||||||||||||||
Magnetische Bestellung | paramagnetisch | |||||||||||||||||||||||||||||
Molare magnetische Suszeptibilität | +13,1 × 10 −6 cm 3 /mol (298 K) | |||||||||||||||||||||||||||||
Elastizitätsmodul | 45 GPa | |||||||||||||||||||||||||||||
Schermodul | 17 GPa | |||||||||||||||||||||||||||||
Bulk-Modul | 35,4 GPa | |||||||||||||||||||||||||||||
QUERKONTRAKTIONSZAHL | 0,290 | |||||||||||||||||||||||||||||
Mohs-Härte | 1–2,5 | |||||||||||||||||||||||||||||
Brinellhärte | 44–260 MPa | |||||||||||||||||||||||||||||
CAS-Nummer | 7439-95-4 | |||||||||||||||||||||||||||||
Geschichte | ||||||||||||||||||||||||||||||
Benennung | nach Magnesia , Griechenland | |||||||||||||||||||||||||||||
Entdeckung | Josef Schwarz (1755) | |||||||||||||||||||||||||||||
Erste Isolierung | Humphry Davy (1808) | |||||||||||||||||||||||||||||
Hauptisotope von Magnesium | ||||||||||||||||||||||||||||||
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Magnesium ist ein chemisches Element mit dem Symbol Mg und der Ordnungszahl 12. Es ist ein glänzendes graues Metall mit geringer Dichte, niedrigem Schmelzpunkt und hoher chemischer Reaktivität. Wie die anderen Erdalkalimetalle (Gruppe 2 des Periodensystems ) kommt es in der Natur nur in Verbindung mit anderen Elementen vor und hat fast immer die Oxidationsstufe +2. Es reagiert leicht mit Luft und bildet eine dünne Passivierungsschicht aus Magnesiumoxid , die eine weitere Korrosion des Metalls verhindert. Das freie Metall brennt mit strahlend-weißem Licht. Das Metall wird hauptsächlich durch Elektrolyse von aus Sole gewonnenen Magnesiumsalzen gewonnen . Es ist weniger dicht als Aluminium und wird hauptsächlich als Komponente in starken und leichten Legierungen verwendet , die Aluminium enthalten.
Im Kosmos wird Magnesium in großen, alternden Sternen durch die sequenzielle Anlagerung von drei Heliumkernen an einen Kohlenstoffkern erzeugt . Wenn solche Sterne als Supernovae explodieren , wird ein Großteil des Magnesiums in das interstellare Medium ausgestoßen, wo es in neue Sternensysteme zurückgeführt werden kann. Magnesium ist das achthäufigste Element in der Erdkruste und das vierthäufigste Element auf der Erde (nach Eisen , Sauerstoff und Silizium ) und macht 13 % der Masse des Planeten und einen großen Teil des Mantels des Planeten aus . Es ist nach Natrium und Chlor das dritthäufigste im Meerwasser gelöste Element .
Dieses Element ist das elfthäufigste Element im menschlichen Körper und ist für alle Zellen und etwa 300 Enzyme essentiell . Magnesiumionen interagieren mit Polyphosphatverbindungen wie ATP , DNA und RNA . Hunderte von Enzymen benötigen Magnesiumionen, um zu funktionieren. Magnesiumverbindungen werden medizinisch als übliche Abführmittel , Antazida (z. B. Magnesiamilch ) und zur Stabilisierung abnormaler Nervenerregung oder Blutgefäßkrämpfe bei Erkrankungen wie Eklampsie verwendet .
Eigenschaften
Physikalische Eigenschaften
Elementares Magnesium ist ein grau-weißes Leichtmetall, zwei Drittel der Dichte von Aluminium. Magnesium hat den niedrigsten Schmelzpunkt (923 K (650 °C)) und den niedrigsten Siedepunkt 1.363 K (1.090 °C) aller Erdalkalimetalle.
Reines polykristallines Magnesium ist spröde und bricht leicht entlang von Scherbändern . Es wird viel formbarer , wenn es mit einer geringen Menge anderer Metalle wie 1% Aluminium legiert wird. Auch die Verformbarkeit von polykristallinem Magnesium lässt sich durch eine Reduzierung der Korngröße auf ca. 1 Mikron oder weniger.
In feiner Pulverform kann Magnesium mit Wasser reagieren, um Wasserstoffgas zu erzeugen:
- Mg(s) + 2H 2 O(g) → Mg(OH) 2 (aq) + H 2 (g) + 1203,6 kJ
Diese Reaktion ist jedoch viel weniger dramatisch als die Reaktionen der Alkalimetalle mit Wasser, weil das Magnesiumhydroxid dazu neigt, sich auf der Oberfläche des reinen Magnesiummetalls anzusammeln und das Auftreten der Reaktion zu verhindern.
Chemische Eigenschaften
Allgemeine Chemie
Es läuft leicht an, wenn es Luft ausgesetzt wird, obwohl, anders als bei den schwereren Erdalkalimetallen , eine sauerstofffreie Umgebung für die Lagerung unnötig ist, da Magnesium durch eine dünne Oxidschicht geschützt ist, die ziemlich undurchlässig und schwer zu entfernen ist.
Direkte Reaktion von Magnesium mit Luft oder Sauerstoff bei Umgebungsdruck bildet nur das "normale" Oxid MgO. Dieses Oxid kann jedoch mit Wasserstoffperoxid kombiniert werden, um Magnesiumperoxid , MgO 2 , zu bilden, und bei niedriger Temperatur kann das Peroxid weiter mit Ozon umgesetzt werden, um Magnesiumsuperoxid Mg(O 2 ) 2 zu bilden .
Magnesium reagiert bei Raumtemperatur mit Wasser, obwohl es viel langsamer reagiert als Calcium, ein ähnliches Metall der Gruppe 2. Beim Eintauchen in Wasser bilden sich langsam Wasserstoffbläschen auf der Metalloberfläche – pulverisiert reagiert es jedoch viel schneller. Bei höheren Temperaturen erfolgt die Reaktion schneller (siehe Sicherheitshinweise ). Die reversible Reaktion von Magnesium mit Wasser kann genutzt werden, um Energie zu speichern und einen auf Magnesium basierenden Motor anzutreiben . Magnesium reagiert auch exotherm mit den meisten Säuren wie Salzsäure (HCl) und erzeugt das Metallchlorid und Wasserstoffgas, ähnlich der HCl-Reaktion mit Aluminium, Zink und vielen anderen Metallen.
Entflammbarkeit
Magnesium ist leicht entzündlich , insbesondere wenn es in Pulverform oder in dünne Streifen geschabt wird, obwohl es in Masse oder Masse schwer zu entzünden ist. Die Flammentemperaturen von Magnesium und Magnesiumlegierungen können 3.100 ° C (5.610 ° F) erreichen, obwohl die Flammenhöhe über dem brennenden Metall normalerweise weniger als 300 mm (12 Zoll) beträgt. Einmal entzündet, sind solche Brände schwer zu löschen, da die Verbrennung in Stickstoff (unter Bildung von Magnesiumnitrid ), Kohlendioxid (unter Bildung von Magnesiumoxid und Kohlenstoff ) und Wasser (unter Bildung von Magnesiumoxid und Wasserstoff, das auch aufgrund von Hitze in Gegenwart von verbrennt) fortgesetzt wird zusätzlicher Sauerstoff). Diese Eigenschaft wurde in Brandwaffen während der Brandbombenangriffe auf Städte im Zweiten Weltkrieg verwendet , wo die einzige praktische Zivilverteidigung darin bestand, eine brennende Fackel unter trockenem Sand zu ersticken, um die Atmosphäre von der Verbrennung auszuschließen.
Magnesium kann auch als Zündmittel für Thermit verwendet werden, eine Mischung aus Aluminium- und Eisenoxidpulver, die sich erst bei sehr hoher Temperatur entzündet.
Organische Chemie
Organomagnesiumverbindungen sind in der organischen Chemie weit verbreitet . Sie werden üblicherweise als Grignard-Reagenzien gefunden . Magnesium kann mit Halogenalkanen zu Grignard-Reagenzien reagieren . Beispiele für Grignard-Reagenzien sind Phenylmagnesiumbromid und Ethylmagnesiumbromid . Die Grignard-Reagenzien fungieren als gemeinsames Nukleophil , das die elektrophile Gruppe angreift, wie z. B. das Kohlenstoffatom, das innerhalb der polaren Bindung einer Carbonylgruppe vorhanden ist.
Ein herausragendes Organomagnesiumreagens jenseits der Grignard-Reagenzien ist Magnesiumanthracen , wobei Magnesium eine 1,4-Brücke über dem zentralen Ring bildet. Es wird als Quelle für hochaktives Magnesium verwendet. Das verwandte Butadien -Magnesium-Addukt dient als Quelle für das Butadien-Dianion.
Magnesium tritt in der organischen Chemie auch als niedervalente Magnesiumverbindungen auf , hauptsächlich mit dem Magnesium, das zweiatomige Ionen in der Oxidationsstufe +1 bildet, aber neuerdings auch mit der Oxidationsstufe null oder einer Mischung aus den Zuständen +1 und null. Solche Verbindungen finden synthetische Anwendung als Reduktionsmittel und Quellen für nukleophile Metallatome.
Lichtquelle
Beim Brennen an der Luft erzeugt Magnesium ein strahlend weißes Licht, das starke ultraviolette Wellenlängen enthält. Magnesiumpulver ( Blitzpulver ) wurde in den Anfängen der Fotografie zur Motivbeleuchtung verwendet . Später wurde Magnesiumfilament in elektrisch gezündeten Einwegblitzlichtern verwendet . Magnesiumpulver wird in Feuerwerkskörpern und Schiffsfackeln verwendet , bei denen ein brillantes weißes Licht erforderlich ist. Es wurde auch für verschiedene Theatereffekte wie Blitze, Pistolenblitze und übernatürliche Erscheinungen verwendet.
Nachweis in Lösung
Das Vorhandensein von Magnesiumionen kann durch Zugabe von Ammoniumchlorid , Ammoniumhydroxid und Mononatriumphosphat zu einer wässrigen oder verdünnten HCl-Lösung des Salzes nachgewiesen werden. Die Bildung eines weißen Niederschlags zeigt das Vorhandensein von Magnesiumionen an.
Es kann auch Azoviolett -Farbstoff verwendet werden, der sich in Gegenwart einer alkalischen Lösung von Magnesiumsalz tiefblau färbt. Die Farbe ist auf die Adsorption von Azoviolett durch Mg(OH) 2 zurückzuführen .
Auftreten
Magnesium ist nach Masse das achthäufigste Element in der Erdkruste und liegt mit Eisen an siebter Stelle in der Molarität . Es kommt in großen Lagerstätten von Magnesit , Dolomit und anderen Mineralien sowie in Mineralwässern vor, in denen Magnesiumionen löslich sind.
Obwohl Magnesium in mehr als 60 Mineralien vorkommt , sind nur Dolomit , Magnesit , Brucit , Carnallit , Talk und Olivin von kommerzieller Bedeutung.
Das mg2+
Das Kation ist das zweithäufigste Kation im Meerwasser (etwa 1 ⁄ 8 der Masse der Natriumionen in einer gegebenen Probe), was Meerwasser und Meersalz zu attraktiven kommerziellen Quellen für Mg macht. Um das Magnesium zu extrahieren, wird dem Meerwasser Calciumhydroxid zugesetzt, um ein Magnesiumhydroxid- Präzipitat zu bilden .
-
MgCl
2+ Ca(OH)
2→ Mg(OH)
2+ CaCl
2
Magnesiumhydroxid ( Brucit ) ist wasserunlöslich und kann abfiltriert und mit Salzsäure zu konzentriertem Magnesiumchlorid umgesetzt werden .
-
Magnesium (OH)
2+ 2 HCl → MgCl
2+ 2 Std
2Ö
Aus Magnesiumchlorid entsteht durch Elektrolyse Magnesium.
Formen
Legierungen
Ab 2013 betrug der Verbrauch an Magnesiumlegierungen weniger als eine Million Tonnen pro Jahr, verglichen mit 50 Millionen Tonnen Aluminiumlegierungen . Ihre Verwendung war in der Vergangenheit durch die Tendenz von Mg-Legierungen zur Korrosion, zum Kriechen bei hohen Temperaturen und zur Verbrennung begrenzt.
Korrosion
Das Vorhandensein von Eisen , Nickel , Kupfer und Kobalt aktiviert stark die Korrosion . In mehr als Spurenmengen fallen diese Metalle als intermetallische Verbindungen aus, und die Ausscheidungsorte wirken als aktive kathodische Stellen, die Wasser reduzieren und den Verlust von Magnesium verursachen. Die Steuerung der Menge dieser Metalle verbessert die Korrosionsbeständigkeit. Ausreichend Mangan überwindet die korrosive Wirkung von Eisen. Dies erfordert eine genaue Kontrolle über die Zusammensetzung, wodurch die Kosten steigen. Das Hinzufügen eines kathodischen Giftes fängt atomaren Wasserstoff innerhalb der Struktur eines Metalls ein. Dies verhindert die Bildung von freiem Wasserstoffgas, einem wesentlichen Faktor korrosiver chemischer Prozesse. Die Zugabe von etwa einem von dreihundert Teilen Arsen reduziert die Korrosionsrate in einer Salzlösung um einen Faktor von fast zehn.
Hochtemperaturkriechen und Entflammbarkeit
Untersuchungen haben gezeigt, dass die Kriechneigung von Magnesium bei hohen Temperaturen durch die Zugabe von Scandium und Gadolinium eliminiert wird . Die Entflammbarkeit wird durch eine kleine Menge Calcium in der Legierung stark reduziert. Durch die Verwendung von Seltenerdelementen ist es möglicherweise möglich, Magnesiumlegierungen mit einer Zündtemperatur herzustellen, die höher als der Liquidus von Magnesium ist und in einigen Fällen möglicherweise nahe an den Siedepunkt von Magnesium heranreicht.
Verbindungen
Magnesium bildet eine Vielzahl von Verbindungen, die für Industrie und Biologie wichtig sind, darunter Magnesiumcarbonat , Magnesiumchlorid , Magnesiumcitrat , Magnesiumhydroxid (Magnesiamilch), Magnesiumoxid , Magnesiumsulfat und Magnesiumsulfat-Heptahydrat ( Bittersalz ).
Isotope
Magnesium hat drei stabile Isotope :24
mg ,25
mg und26
mg . Alle sind in erheblichen Mengen in der Natur vorhanden (siehe Isotopentabelle oben). Etwa 79 % des Mg ist24
mg . Das Isotop28
Mg ist radioaktiv und wurde in den 1950er bis 1970er Jahren von mehreren Kernkraftwerken für wissenschaftliche Experimente produziert. Dieses Isotop hat eine relativ kurze Halbwertszeit (21 Stunden) und seine Verwendung war durch die Versandzeiten begrenzt.
Das Nuklid26
Mg hat , ähnlich wie Aluminium , Anwendung in der Isotopengeologie gefunden .26
Mg ist ein radiogenes Tochterprodukt von26
Al mit einer Halbwertszeit von 717.000 Jahren. Übermäßige Mengen stabil26
Mg wurde in den Ca-Al-reichen Einschlüssen einiger kohliger Chondrit - Meteoriten beobachtet . Diese anomale Häufigkeit wird dem Zerfall seines Elternteils zugeschrieben26
Al in den Einschlüssen, und Forscher schließen daraus, dass solche Meteoriten im Sonnennebel vor dem gebildet wurden26
Al war verfallen. Diese gehören zu den ältesten Objekten im Sonnensystem und enthalten erhaltene Informationen über seine frühe Geschichte.
Es ist üblich zu plotten26
Magnesium /24
Mg gegen ein Al/Mg-Verhältnis. In einem isochronen Datierungsdiagramm ist das Al/Mg-Verhältnis aufgetragen27
Al /24
mg . Die Steigung des Isochrons hat keine Altersbedeutung, sondern zeigt die Initiale an26
Al /27
Al -Verhältnis in der Probe zum Zeitpunkt der Trennung der Systeme von einem gemeinsamen Reservoir.
Produktion
Die Weltproduktion betrug 2017 etwa 1.100 kt, wobei der Großteil in China (930 kt) und Russland (60 kt) produziert wurde. Die Vereinigten Staaten waren im 20. Jahrhundert der weltweit größte Lieferant dieses Metalls und lieferten noch 1995 45 % der Weltproduktion. Seit der chinesischen Beherrschung des Pidgeon-Verfahrens liegt der US-Marktanteil bei 7 %, mit einem einzigen US-Produzenten links: US Magnesium, ein Unternehmen der Renco Group in Utah , das aus der inzwischen aufgelösten Magcorp hervorgegangen ist.
Im September 2021 unternahm China Schritte zur Reduzierung der Magnesiumproduktion als Ergebnis einer Regierungsinitiative zur Reduzierung der Energieverfügbarkeit für die verarbeitende Industrie, was zu einem erheblichen Preisanstieg führte.
- Pigeon-Prozess
China ist fast vollständig auf den silicothermischen Pidgeon-Prozess angewiesen (die Reduktion des Oxids bei hohen Temperaturen mit Silizium, oft bereitgestellt durch eine Ferrosiliziumlegierung, bei der das Eisen nur ein Zuschauer der Reaktionen ist), um das Metall zu erhalten. Der Prozess kann auch mit Kohle bei ca. 2300 °C durchgeführt werden:
-
2MgO
(S)+ Si
(S)+ 2CaO
(S)→ 2 mg
(G)+ Ca
2SiO
4(e) -
MgO
(S)+ C
(S)→ mg
(G)+ CO
(G)
- Dow-Prozess
In den Vereinigten Staaten wird Magnesium hauptsächlich mit dem Dow-Verfahren durch Elektrolyse von geschmolzenem Magnesiumchlorid aus Sole und Meerwasser gewonnen . Eine Salzlösung, die Mg enthält2+
Ionen wird zunächst mit Kalk (Kalziumoxid) behandelt und das ausgefallene Magnesiumhydroxid gesammelt:
-
mg2+
(aq)+ CaO
(S)+ H
2O → Ca2+
(aq)+ Mg(OH)
2(s)
Das Hydroxid wird dann in ein Teilhydrat von Magnesiumchlorid umgewandelt , indem das Hydroxid mit Salzsäure behandelt und das Produkt erhitzt wird:
-
Magnesium (OH)
2(s)+ 2 HCl → MgCl
2 (aq)+ 2 Std
2Ö
(l)
Das Salz wird dann im geschmolzenen Zustand elektrolysiert. An der Kathode wird das Mg2+
Ion wird durch zwei Elektronen zu Magnesiummetall reduziert:
-
mg2+
+ 2
e−
→ mg
An der Anode wird jedes Paar von Cl−
Ionen werden zu Chlorgas oxidiert , wobei zwei Elektronen freigesetzt werden, um den Stromkreis zu vervollständigen:
- 2 Cl−
→ Kl
2(g) + 2
e−
- YSZ-Prozess
Ein neues Verfahren, die Festoxidmembrantechnologie, beinhaltet die elektrolytische Reduktion von MgO. An der Kathode ist Mg2+
Ion wird durch zwei Elektronen zu Magnesiummetall reduziert. Der Elektrolyt ist Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ). Die Anode ist ein flüssiges Metall. An der YSZ/Flüssigmetall-Anode O2−
oxidiert ist. An die Flüssigmetallanode grenzt eine Graphitschicht, an der Kohlenstoff und Sauerstoff zu Kohlenmonoxid reagieren. Wenn Silber als Flüssigmetallanode verwendet wird, wird kein Reduktionsmittel Kohlenstoff oder Wasserstoff benötigt, und an der Anode entwickelt sich nur Sauerstoffgas. Es wurde berichtet, dass dieses Verfahren eine 40%ige Reduzierung der Kosten pro Pfund gegenüber dem elektrolytischen Reduktionsverfahren bereitstellt.
Geschichte
Der Name Magnesium stammt von dem griechischen Wort für Orte, die mit dem Stamm der Magneten verwandt sind , entweder ein Bezirk in Thessalien namens Magnesia oder Magnesia ad Sipylum , jetzt in der Türkei. Es ist mit Magnetit und Mangan verwandt , die ebenfalls aus dieser Gegend stammten und als separate Stoffe zu unterscheiden waren. Siehe Mangan für diese Geschichte.
1618 versuchte ein Bauer in Epsom in England, seinen Kühen Wasser aus einem dortigen Brunnen zu geben. Die Kühe weigerten sich wegen des bitteren Geschmacks des Wassers zu trinken, aber der Bauer bemerkte, dass das Wasser Kratzer und Hautausschläge zu heilen schien. Die Substanz wurde als Bittersalz bekannt und ihr Ruhm verbreitete sich. Es wurde schließlich als hydratisiertes Magnesiumsulfat, MgSO , erkannt
4·7 Std
2O .
Das Metall selbst wurde erstmals 1808 von Sir Humphry Davy in England isoliert. Er verwendete Elektrolyse bei einer Mischung aus Magnesia und Quecksilberoxid . Antoine Bussy bereitete es 1831 in kohärenter Form vor. Davys erster Vorschlag für einen Namen war Magnium, aber der Name Magnesium wird jetzt in Englisch und allen wichtigen europäischen Sprachen außer Russisch verwendet.
Verwendung als Metall
Magnesium ist nach Eisen und Aluminium das am dritthäufigsten verwendete Strukturmetall . Die Hauptanwendungen von Magnesium sind der Reihe nach: Aluminiumlegierungen, Druckguss (legiert mit Zink ), die Entschwefelung bei der Eisen- und Stahlherstellung und die Herstellung von Titan im Kroll-Verfahren .
Magnesium wird in Leichtbaumaterialien und Legierungen verwendet. Wenn es beispielsweise mit Siliziumkarbid-Nanopartikeln angereichert ist, hat es eine extrem hohe spezifische Festigkeit.
Historisch gesehen war Magnesium eines der wichtigsten Konstruktionsmetalle für die Luft- und Raumfahrt und wurde bereits im Ersten Weltkrieg für deutsche Militärflugzeuge und im Zweiten Weltkrieg ausgiebig für deutsche Flugzeuge verwendet. Die Deutschen prägten den Namen „ Elektron “ für die Magnesiumlegierung, ein Begriff, der noch heute verwendet wird. In der kommerziellen Luft- und Raumfahrtindustrie war Magnesium aufgrund von Brand- und Korrosionsgefahren im Allgemeinen auf motorbezogene Komponenten beschränkt. Die Verwendung von Magnesiumlegierungen in der Luft- und Raumfahrt nimmt im 21. Jahrhundert zu, angetrieben durch die Bedeutung der Kraftstoffeinsparung. Jüngste Entwicklungen in der Metallurgie und Fertigung haben das Potenzial für Magnesiumlegierungen ermöglicht, in bestimmten Anwendungen als Ersatz für Aluminium- und Stahllegierungen zu fungieren.
In Form von dünnen Bändern wird Magnesium zur Reinigung von Lösungsmitteln verwendet ; zum Beispiel die Herstellung von supertrockenem Ethanol.
Flugzeug
- Wright Aeronautical verwendete ein Magnesium - Kurbelgehäuse im Flugzeugtriebwerk Wright R-3350 Duplex Cyclone aus der Zeit des Zweiten Weltkriegs . Dies stellte für die frühesten Modelle des schweren Bombers Boeing B-29 Superfortress ein ernsthaftes Problem dar , als ein Triebwerksbrand während des Fluges das Kurbelgehäuse des Triebwerks entzündete. Die resultierende Verbrennung war so heiß wie 3.100 ° C (5.600 ° F) und konnte den Flügelholm vom Rumpf trennen .
Automobil
- Mercedes-Benz verwendete die Legierung Elektron in der Karosserie eines frühen Mercedes-Benz 300 SLR- Modells ; Diese Autos nahmen 1955 an der Sportwagen-Weltmeisterschaft teil , einschließlich eines Sieges bei der Mille Miglia , und in Le Mans , wo man 1955 in die Katastrophe von Le Mans verwickelt war, als die Zuschauer mit brennenden Elektronensplittern überschüttet wurden.
- Porsche verwendete Rahmen aus Magnesiumlegierung im 917/053 , der 1971 in Le Mans gewann, und verwendet aufgrund des Gewichtsvorteils weiterhin Magnesiumlegierungen für seine Motorblöcke.
- Der Volkswagen Konzern verwendet seit vielen Jahren Magnesium in seinen Motorkomponenten.
- Mitsubishi Motors verwendet Magnesium für seine Schaltwippen .
- BMW verwendete in seinem N52 -Motor Blöcke aus Magnesiumlegierung , einschließlich eines Aluminiumlegierungseinsatzes für die Zylinderwände und Kühlmäntel, die von einer Hochtemperatur-Magnesiumlegierung AJ62A umgeben sind . Der Motor wurde zwischen 2005 und 2011 weltweit in verschiedenen Modellen der Baureihen 1, 3, 5, 6 und 7 eingesetzt; sowie der Z4, X1, X3 und X5.
- Chevrolet verwendete die Magnesiumlegierung AE44 in der 2006er Corvette Z06 .
Sowohl AJ62A als auch AE44 sind jüngste Entwicklungen bei kriecharmen Hochtemperatur- Magnesiumlegierungen. Die allgemeine Strategie für solche Legierungen besteht darin, intermetallische Ausscheidungen an den Korngrenzen zu bilden , beispielsweise durch Zugabe von Mischmetall oder Calcium . Die Entwicklung neuer Legierungen und niedrigere Kosten, die Magnesium gegenüber Aluminium konkurrenzfähig machen, werden die Zahl der Automobilanwendungen erhöhen.
Elektronik
Aufgrund der geringen Dichte und der guten mechanischen und elektrischen Eigenschaften wird Magnesium zur Herstellung von Mobiltelefonen, Laptops und Tablet-Computern , Kameras und anderen elektronischen Komponenten verwendet. Es wurde aufgrund seines geringen Gewichts in einigen 2020-Laptops als Premium-Funktion verwendet.
Andere
Magnesium, das leicht verfügbar und relativ ungiftig ist, hat eine Vielzahl von Anwendungen:
- Magnesium ist brennbar und brennt bei einer Temperatur von ungefähr 3.100 ° C (3.370 K; 5.610 ° F), und die Selbstentzündungstemperatur des Magnesiumbandes beträgt ungefähr 473 ° C (746 K; 883 ° F). Es erzeugt intensives, helles, weißes Licht, wenn es brennt. Die hohe Verbrennungstemperatur von Magnesium macht es zu einem nützlichen Werkzeug zum Entfachen von Notbränden. Andere Anwendungen umfassen Blitzfotografie , Fackeln, Pyrotechnik , Feuerwerkskerzen und Trickgeburtstagskerzen. Magnesium wird auch oft verwendet, um Thermit oder andere Materialien zu entzünden, die eine hohe Zündtemperatur erfordern. Magnesium wird weiterhin als Brandelement in der Kriegsführung eingesetzt.
- In Form von Spänen oder Bändern zur Herstellung von Grignard-Reagenzien , die in der organischen Synthese nützlich sind .
- Als Zusatzstoff in konventionellen Treibmitteln und zur Herstellung von Kugelgraphit in Gusseisen .
- Als Reduktionsmittel, um Uran und andere Metalle von ihren Salzen zu trennen .
- Als (galvanische) Opferanode zum Schutz von Booten, unterirdischen Tanks, Rohrleitungen, unterirdischen Strukturen und Warmwasserbereitern.
- Mit Zink legiert zur Herstellung von Zinkblechen, die in Fotogravurplatten in der Druckindustrie, Trockenbatteriewänden und Bedachungen verwendet werden .
- Als Metall wird dieses Element hauptsächlich als Legierungszusatz zu Aluminium verwendet, wobei diese Aluminium-Magnesium-Legierungen hauptsächlich für Getränkedosen , Sportgeräte wie Golfschläger, Angelrollen und Bogen und Pfeile verwendet werden.
- Spezielle, hochwertige Autoräder aus einer Magnesiumlegierung werden als „ Mag-Räder “ bezeichnet, obwohl der Begriff oft fälschlicherweise auf Aluminiumräder angewendet wird. Viele Auto- und Flugzeughersteller haben Motor- und Karosserieteile aus Magnesium hergestellt.
- Magnesiumbatterien wurden als Primärbatterien kommerzialisiert und sind ein aktives Forschungsthema für wiederaufladbare Batterien .
Sicherheitsvorkehrungen
Gefahren | |
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GHS- Kennzeichnung : | |
Achtung | |
H228 , H251 , H261 | |
P210 , P231 , P235 , P410 , P422 | |
NFPA 704 (Feuerdiamant) |
Magnesiummetall und seine Legierungen können explosionsgefährlich sein; sie sind in ihrer reinen Form im geschmolzenen Zustand oder in Pulver- oder Bandform leicht entzündlich. Brennendes oder geschmolzenes Magnesium reagiert heftig mit Wasser. Bei der Arbeit mit Magnesiumpulver werden Schutzbrillen mit Augenschutz und UV-Filtern (wie sie Schweißer verwenden) verwendet, da beim Verbrennen von Magnesium ultraviolettes Licht entsteht, das die Netzhaut des menschlichen Auges dauerhaft schädigen kann .
Magnesium ist in der Lage, Wasser zu reduzieren und hochentzündliches Wasserstoffgas freizusetzen :
- Mg(s) + 2 H
2O (l) → Mg (OH)
2(s) + H
2(G)
Daher kann Wasser Magnesiumbrände nicht löschen. Das entstehende Wasserstoffgas intensiviert das Feuer. Trockener Sand ist ein wirksames Mittel zum Ersticken, aber nur auf relativ ebenen und flachen Oberflächen.
Magnesium reagiert mit Kohlendioxid exotherm zu Magnesiumoxid und Kohlenstoff :
- 2 mg + CO
2→ 2 MgO + C (s)
Daher löscht Kohlendioxid eher Magnesiumbrände als Brennstoffe.
Brennendes Magnesium kann mit einem Trockenchemikalien-Feuerlöscher der Klasse D oder durch Abdecken des Feuers mit Sand oder Magnesiumguss-Flussmittel gelöscht werden, um seine Luftquelle zu entfernen.
Nützliche Verbindungen
Magnesiumverbindungen, vor allem Magnesiumoxid (MgO), werden als Feuerfestmaterial in Ofenauskleidungen zur Herstellung von Eisen , Stahl , Nichteisenmetallen , Glas und Zement verwendet . Magnesiumoxid und andere Magnesiumverbindungen werden auch in der Agrar-, Chemie- und Bauindustrie verwendet. Magnesiumoxid aus Kalzinierung wird als elektrischer Isolator in feuerbeständigen Kabeln verwendet .
Magnesiumhydrid wird als Möglichkeit zur Speicherung von Wasserstoff untersucht.
Mit einem Alkylhalogenid umgesetztes Magnesium ergibt ein Grignard-Reagenz , das ein sehr nützliches Werkzeug zur Herstellung von Alkoholen ist .
Magnesiumsalze sind in verschiedenen Lebensmitteln , Düngemitteln (Magnesium ist ein Bestandteil von Chlorophyll ) und Kulturmedien für Mikroben enthalten .
Magnesiumsulfit wird bei der Papierherstellung verwendet ( Sulfitverfahren ).
Magnesiumphosphat wird verwendet, um Bauholz feuerfest zu machen.
Magnesiumhexafluorsilikat wird zur Mottenabwehr von Textilien verwendet .
Biologische Rollen
Wirkmechanismus
Die wichtige Wechselwirkung zwischen Phosphat- und Magnesiumionen macht Magnesium für die grundlegende Nukleinsäurechemie aller Zellen aller bekannten lebenden Organismen unerlässlich. Mehr als 300 Enzyme benötigen Magnesiumionen für ihre katalytische Wirkung, darunter alle Enzyme, die ATP verwenden oder synthetisieren , und solche, die andere Nukleotide verwenden, um DNA und RNA zu synthetisieren . Das ATP-Molekül befindet sich normalerweise in einem Chelat mit einem Magnesiumion.
Ernährung
Diät
Gewürze, Nüsse, Getreide , Kakao und Gemüse sind reichhaltige Magnesiumquellen. Auch grünes Blattgemüse wie Spinat ist reich an Magnesium.
Magnesiumreiche Getränke sind Kaffee , Tee und Kakao.
Ernährungsempfehlungen
In Großbritannien liegen die empfohlenen Tageswerte für Magnesium bei 300 mg für Männer und 270 mg für Frauen. In den USA betragen die empfohlenen Tagesrationen ( Recommended Dietary Allowances , RDAs) 400 mg für Männer im Alter von 19 bis 30 Jahren und 420 mg für ältere Männer; für Frauen 310 mg im Alter von 19–30 und 320 mg für ältere Menschen.
Ergänzung
Zahlreiche pharmazeutische Präparate von Magnesium und Nahrungsergänzungsmitteln sind erhältlich. In zwei Studien am Menschen war Magnesiumoxid, aufgrund seines hohen Magnesiumgehalts pro Gewicht eine der häufigsten Formen in Magnesium-Nahrungsergänzungsmitteln, weniger bioverfügbar als Magnesiumcitrat , -chlorid, -laktat oder -aspartat.
Stoffwechsel
Ein erwachsener Körper hat 22–26 Gramm Magnesium, davon 60 % im Skelett , 39 % intrazellulär (20 % in der Skelettmuskulatur) und 1 % extrazellulär. Die Serumspiegel liegen typischerweise bei 0,7–1,0 mmol/L oder 1,8–2,4 mEq/L. Serum-Magnesium-Spiegel können normal sein, selbst wenn intrazellulärer Magnesiummangel vorliegt. Die Mechanismen zur Aufrechterhaltung des Magnesiumspiegels im Serum sind unterschiedliche gastrointestinale Resorption und renale Ausscheidung. Intrazelluläres Magnesium korreliert mit intrazellulärem Kalium . Erhöhtes Magnesium senkt das Calcium und kann je nach Ausgangswert entweder eine Hyperkalzämie verhindern oder eine Hypokalzämie verursachen. Sowohl eine niedrige als auch eine hohe Proteinaufnahme hemmen die Magnesiumabsorption, ebenso wie die Menge an Phosphat , Phytat und Fett im Darm. Nicht resorbiertes Magnesium aus der Nahrung wird mit dem Kot ausgeschieden; aufgenommenes Magnesium wird über Urin und Schweiß ausgeschieden.
Nachweis in Serum und Plasma
Der Magnesiumstatus kann durch Messen der Serum- und Erythrozyten-Magnesiumkonzentrationen in Verbindung mit dem Magnesiumgehalt im Urin und im Stuhl bestimmt werden, aber intravenöse Magnesiumbelastungstests sind genauer und praktischer. Eine Retention von 20 % oder mehr der injizierten Menge weist auf einen Mangel hin. Ab 2004 wurde kein Biomarker für Magnesium etabliert.
Magnesiumkonzentrationen im Plasma oder Serum können bei Patienten, die das Medikament therapeutisch erhalten , auf Wirksamkeit und Sicherheit überwacht werden, um die Diagnose bei potenziellen Vergiftungsopfern zu bestätigen oder um die forensische Untersuchung im Fall einer tödlichen Überdosierung zu unterstützen. Die neugeborenen Kinder von Müttern, die während der Wehen parenteral Magnesiumsulfat erhalten haben, können bei normalen Serummagnesiumspiegeln Toxizität aufweisen.
Mangel
Niedriges Plasmamagnesium ( Hypomagnesiämie ) ist weit verbreitet: Es wird bei 2,5–15 % der Allgemeinbevölkerung gefunden. Von 2005 bis 2006 konsumierten 48 Prozent der Bevölkerung der Vereinigten Staaten weniger Magnesium als in der Dietary Reference Intake empfohlen . Andere Ursachen sind ein erhöhter renaler oder gastrointestinaler Verlust, eine erhöhte intrazelluläre Verschiebung und eine Protonenpumpenhemmer-Antazida-Therapie. Die meisten sind asymptomatisch, aber es können Symptome auftreten, die sich auf neuromuskuläre , kardiovaskuläre und metabolische Dysfunktionen beziehen. Alkoholismus wird oft mit Magnesiummangel in Verbindung gebracht. Chronisch niedrige Magnesiumspiegel im Serum sind mit dem metabolischen Syndrom , Diabetes mellitus Typ 2 , Faszikulation und Bluthochdruck verbunden.
Therapie
- Die intravenöse Gabe von Magnesium wird von den ACC/AHA/ESC 2006 Guidelines for Management of Patients With Ventricular Arrhythmias and the Prevention of Sudden Cardiac Death für Patienten mit ventrikulärer Arrhythmie in Verbindung mit Torsades de Pointes empfohlen , die ein Long-QT-Syndrom aufweisen ; und zur Behandlung von Patienten mit Digoxin-induzierten Arrhythmien.
- Magnesiumsulfat – intravenös – wird zur Behandlung von Präeklampsie und Eklampsie eingesetzt .
- Hypomagnesiämie, einschließlich der durch Alkoholismus verursachten, ist je nach Grad des Mangels durch orale oder parenterale Magnesiumverabreichung reversibel.
- Es gibt begrenzte Hinweise darauf, dass eine Magnesiumergänzung eine Rolle bei der Vorbeugung und Behandlung von Migräne spielen kann .
Sortiert nach Art des Magnesiumsalzes, andere therapeutische Anwendungen umfassen:
- Magnesiumsulfat , als Epsomsalz genanntes Heptahydrat , wird als Badesalz , Abführmittel und hochlöslicher Dünger verwendet .
- In Wasser suspendiertes Magnesiumhydroxid wird in der Milch von Magnesia - Antazida und Abführmitteln verwendet .
- Magnesiumchlorid , -oxid , -gluconat , -malat , -orotat , -glycinat, -ascorbat und -citrat werden alle als orale Magnesiumpräparate verwendet.
- Als Antiseptika werden Magnesiumborat , Magnesiumsalicylat und Magnesiumsulfat verwendet .
- Magnesiumbromid wird als mildes Beruhigungsmittel verwendet (diese Wirkung beruht auf dem Bromid , nicht auf dem Magnesium).
- Magnesiumstearat ist ein leicht entzündliches weißes Pulver mit schmierenden Eigenschaften. In der pharmazeutischen Technologie wird es in der pharmakologischen Herstellung verwendet, um das Anhaften von Tabletten an der Ausrüstung zu verhindern, während die Inhaltsstoffe in Tablettenform gepresst werden.
- Magnesiumcarbonat-Pulver wird von Sportlern wie Turnern , Gewichthebern und Kletterern verwendet , um Handschweiß zu beseitigen, ein Anhaften zu verhindern und den Halt an Turngeräten, Hebestangen und Kletterfelsen zu verbessern.
Überdosis
Eine Überdosierung aus Nahrungsquellen allein ist unwahrscheinlich, da überschüssiges Magnesium im Blut umgehend von den Nieren gefiltert wird , und eine Überdosierung bei Vorliegen einer eingeschränkten Nierenfunktion wahrscheinlicher ist. Trotzdem hat die Megadosis-Therapie bei einem kleinen Kind zum Tod und bei einer Frau und einem jungen Mädchen mit gesunden Nieren zu schwerer Hypermagnesiämie geführt. Die häufigsten Symptome einer Überdosierung sind Übelkeit , Erbrechen und Durchfall ; Andere Symptome sind Hypotonie , Verwirrtheit, verlangsamte Herz- und Atemfrequenz , Mangel an anderen Mineralien, Koma , Herzrhythmusstörungen und Tod durch Herzstillstand .
Funktion in Pflanzen
Pflanzen benötigen Magnesium, um Chlorophyll zu synthetisieren, das für die Photosynthese unerlässlich ist . Magnesium im Zentrum des Porphyrinrings im Chlorophyll wirkt ähnlich wie Eisen im Zentrum des Porphyrinrings im Häm . Magnesiummangel bei Pflanzen verursacht in der Spätsaison eine Gelbfärbung zwischen den Blattadern, insbesondere bei älteren Blättern, und kann korrigiert werden, indem entweder Bittersalz (das schnell ausgelaugt wird ) oder zerkleinerter Dolomitkalkstein auf den Boden aufgetragen wird .
Siehe auch
Verweise
Zitierte Quellen
- Rumble, John R., Hrsg. (2018). CRC-Handbuch für Chemie und Physik (99. Ausgabe). Boca Raton, FL: CRC-Presse . ISBN 978-1-1385-6163-2.
Externe Links
- Magnesium im Periodensystem der Videos (University of Nottingham)
- Chemistry in its element Podcast (MP3) aus der Chemistry World der Royal Society of Chemistry : Magnesium
- „Magnesium – ein vielseitiges und oft übersehenes Element: Neue Perspektiven mit Fokus auf chronische Nierenerkrankungen“ . Clin Niere J . 5 (Ergänzung 1). Februar 2012. Archiviert vom Original am 9. Juni 2013.