MAGNEZIUL: ISTORIC, STRUCTURĂ, PROPRIETĂȚI, REACȚII, UTILIZĂRI - CHIMIE - 2025

Magneziu este metal alcalino - pământos aparținând grupei 2 din tabelul periodic. Numărul său atomic este 12 și este reprezentat de simbolul chimic Mg. Este al optulea cel mai abundent element din scoarța terestră, aproximativ 2,5% din aceasta.

Acest metal, la fel ca congenerii și metalele alcaline, nu se găsește în natură în starea sa natală, ci se combină cu alte elemente pentru a forma numeroși compuși prezenți în roci, în apa de mare și în saramură.

Obiecte zilnice realizate cu magneziu. Sursa: Firetwister din Wikipedia.

Magneziul face parte din minerale precum dolomit (carbonat de calciu și magneziu), magnezit (carbonat de magneziu), carnalit (hexahidrat de magneziu și clorură de potasiu), brucită (hidroxid de magneziu) și în silicați precum talcul și olivină.

Cea mai bogată sursă naturală pentru extinderea sa este marea, care are o abundență de 0,13%, deși Marele Lac Salt (1,1%) și Marea Moartă (3,4%) au o concentrație mai mare de magneziu. Există saramuri cu un conținut ridicat de acesta, care este concentrat prin evaporare.

Numele de magneziu provine probabil din magnezit, găsit în Magnesia, în regiunea Tesalia, regiunea antică a Greciei. Deși, s-a subliniat că magnetita și manganul s-au găsit în aceeași regiune.

Magneziul reacționează puternic cu oxigenul la temperaturi peste 645 ° C. Între timp, pulberea de magneziu arde în aer uscat, emitând o lumină albă intensă. Din acest motiv, a fost folosit ca sursă de lumină în fotografie. În prezent, această proprietate este încă utilizată în pirotehnie.

Este un element esențial pentru ființele vii. Este cunoscut a fi un cofactor pentru mai mult de 300 de enzime, incluzând mai multe enzime glicoliză. Acesta este un proces vital pentru ființele vii datorită relației sale cu producția de ATP, principala sursă de energie celulară.

De asemenea, face parte dintr-un complex similar cu grupul hemo al hemoglobinei, prezent în clorofilă. Acesta este un pigment care ia parte la realizarea fotosintezei.

Istorie

Recunoaştere

Joseph Black, un chimist scoțian, în 1755 a recunoscut-o ca un element, arătând experimental că era diferit de calciu, un metal cu care îl confundau.

În această privință, Black a scris: „Am văzut deja prin experiment că magnezia alba (carbonat de magneziu) este un compus al unui pământ și al unui aer fix”.

Izolare

În 1808, Sir Humprey Davy a reușit să o izoleze folosind electroliză pentru a produce un amalgam de magneziu și mercur. A făcut acest lucru prin electrolizarea sării sale de sulfat umed cu utilizarea mercurului ca catod. Ulterior, a evaporat mercurul din malgam prin încălzire, lăsând reziduurile de magneziu.

A. Bussy, un om de știință francez, a reușit să producă primul magneziu metalic în 1833. Pentru a face acest lucru, Bussy a produs reducerea clorurii de magneziu topit cu potasiu metalic.

În 1833, savantul britanic Michael Faraday a folosit pentru prima dată electroliza clorurii de magneziu pentru a izola acest metal.

producere

În 1886, compania germană Aluminum und Magnesiumfabrik Hemelingen a utilizat electroliza carnalitei topite (MgCl ₂ · KCl · 6H ₂ O) pentru a produce magneziu.

Hemelingen, în parteneriat cu Complexul Industrial Farbe (IG Farben), a reușit să dezvolte o tehnică pentru a produce cantități mari de clorură de magneziu topită pentru electroliză pentru producerea de magneziu și clor.

În timpul celui de-al Doilea Război Mondial, Dow Chemical Company (SUA) și Magnesium Elektron LTD (Marea Britanie) au început reducerea electrolitică a apei de mare; pompat din Golful Galveston, Texas și în Marea Nordului, spre Hartlepool, Anglia, pentru producția de magneziu.

În același timp, Ontario (Canada) creează o tehnică pentru a o produce pe baza procesului LM Pidgeon. Tehnica constă în reducerea termică a oxidului de magneziu cu silicați în replicile cu foc extern.

Structura și configurația electronilor a magneziului

Magneziul se cristalizează într-o structură hexagonală compactă, unde fiecare dintre atomii săi este înconjurat de doisprezece vecini. Acest lucru îl face mai dens decât alte metale, cum ar fi litiu sau sodiu.

Configurația sa electronică este 3s ² , cu doi electroni de valență și zece din carcasa interioară. Prin faptul că are un electron în plus față de sodiu, legătura sa metalică devine mai puternică.

Acest lucru se datorează faptului că atomul este mai mic și nucleul său mai are un proton; prin urmare, ele exercită un efect de atracție mai mare asupra electronilor atomilor vecini, care contractă distanțele dintre ei. De asemenea, deoarece există doi electroni, banda 3s rezultată este plină și este capabilă să simtă și mai mult atracția nucleelor.

Apoi, atomii Mg sfârșesc prin a pune un cristal hexagonal dens cu o legătură metalică puternică. Acest lucru explică punctul său de topire mult mai mare (650 ºC) decât cel al sodiului (98 ºC).

Toți cei 3 orbitali ai tuturor atomilor și cei 12 vecini ai lor se suprapun în toate direcțiile din cristal, iar cei doi electroni pleacă pe măsură ce vin alți doi; așa mai departe, fără ca cationii Mg ²⁺ să poată provoca .

Numere de oxidare

Magneziul poate pierde doi electroni atunci când formează compuși și rămâne ca cationul Mg ²⁺ , care este izoelectronic pentru neonul de gaz nobil. Când se ia în considerare prezența sa în orice compus, numărul de oxidare al magneziului este +2.

Pe de altă parte, și deși este mai puțin obișnuit, se poate forma cationul Mg ⁺ , care a pierdut doar unul dintre cei doi electroni și este izoelectronic față de sodiu. Când se presupune prezența sa într-un compus, atunci magneziul are un număr de oxidare de +1.

Proprietăți

Aspectul fizic

Un solid alb strălucitor în stare pură, înainte de a se oxida sau de a reacționa cu aerul umed.

Masă atomică

24,304 g / mol.

Punct de topire

650 ° C

Punct de fierbere

1.091 ° C.

Densitate

1,738 g / cm ³ , la temperatura camerei. Y 1,584 g / cm ³ , la temperatura de topire; adică faza lichidă este mai puțin densă decât solidul, așa cum se întâmplă în marea majoritate a compușilor sau substanțelor.

Căldură de fuziune

848 kJ / mol.

Căldură de vaporizare

128 kJ / mol.

Capacitate calorică molară

24,869 J / (mol · K).

Presiunea de vapori

La 701 K: 1 Pa; adică presiunea vaporilor săi este foarte mică.

electronegativitate

1.31 pe scara Pauling.

Energie de ionizare

Primul nivel de ionizare: 1,737,2 kJ / mol (Mg ⁺ gaz)

Al doilea nivel de ionizare: 1.450,7 kJ / mol (Mg ²⁺ gaz și necesită mai puțină energie)

Al treilea nivel de ionizare: 7.732.7 kJ / mol (Mg ³⁺ gaz și necesită multă energie).

Radio atomic

Ora 160 pm.

Raza covalentă

141 ± 17 pm

Volumul atomic

13,97 cm ³ / mol.

Expansiune termică

24,8 um / m · K la 25 ° C.

Conductivitate termică

156 W / m K.

Rezistență electrică

43,9 nΩ · m la 20 ° C.

Conductivitatea electrică

22,4 × 10 ⁶ S cm ³ .

Duritate

2,5 pe scara Mohs.

Nomenclatură

Magneziul metalic nu are alte nume atribuite. Compușii săi, întrucât se consideră că, în majoritate, au un număr de oxidare de +2, sunt menționați folosind nomenclatura stoc, fără a fi necesară exprimarea numărului menționat între paranteze.

De exemplu, MgO este oxid de magneziu și nu oxid de magneziu (II). Conform nomenclaturii sistematice, compusul anterior este: monoxid de magneziu și nu monoxid de monomagnezie.

În ceea ce privește nomenclatura tradițională, același lucru se întâmplă și cu nomenclatura stoc: numele compușilor se termină în același mod; adică cu sufixul –ico. Astfel, MgO este oxid de magneziu, conform acestei nomenclaturi.

În caz contrar, ceilalți compuși pot avea sau nu nume comune sau mineralogice sau sunt constituite din molecule organice (compuși organomagnesici), a căror nomenclatură depinde de structura moleculară și de substituenții alchil (R) sau arii (Ar).

În ceea ce privește compușii organomagnesiu, aproape toți sunt reactivi Grignard cu formula generală RMgX. De exemplu, BrMgCH ₃ este bromura de metil magneziu. Rețineți că nomenclatura nu pare atât de complicată la un prim contact.

forme

aliaje

Magneziul este utilizat în aliaje, deoarece este un metal ușor, fiind utilizat mai ales în aliaje cu aluminiu, ceea ce îmbunătățește caracteristicile mecanice ale acestui metal. A fost folosit și în aliaje cu fier.

Cu toate acestea, utilizarea sa în aliaje a scăzut datorită tendinței sale de corodare la temperaturi ridicate.

Minerale și compuși

Datorită reactivității sale, nu se găsește în scoarța terestră în forma sa maternă sau elementară. Mai degrabă, face parte din numeroși compuși chimici, care sunt la rândul lor localizați în aproximativ 60 de minerale cunoscute.

Printre cele mai comune minerale ale magneziului se numără:

-Dolomite, un carbonat de calciu și magneziu, MgCO ₃ CaCO ₃

-Magnezit, un carbonat de magneziu, CaCO ₃

-Brucită, un hidroxid de magneziu, Mg (OH) ₂

-carnalite, clorură de magneziu și potasiu, MgCI ₂ · KCl · H ₂ O.

De asemenea, poate fi sub formă de alte minerale, cum ar fi:

-Kieserite, un sulfat de magneziu, MgSO ₄ H ₂ O

-Forsterit, silicat de magneziu, MgSiO ₄

-Chrisotyl sau azbest, un alt silicat de magneziu, Mg ₃ Si ₂ O ₅ (OH) ₄

-Talc, Mg ₃ Si ₁₄ O ₁₁₀ (OH) ₂ .

izotopi

Magneziul se găsește în natură ca o combinație de trei izotopi naturali: ²⁴ Mg, cu o abundență de 79%; ²⁵ Mg, cu 11% abundență; și ²⁶ Mg, cu 10% abundență. În plus, există 19 izotopi radioactivi artificiali.

Rolul biologic

glicoliză

Magneziul este un element esențial pentru toate lucrurile vii. Oamenii au un aport zilnic de 300 - 400 mg de magneziu. Conținutul său corporal este cuprins între 22 și 26 g, la o ființă adultă, concentrată în principal în scheletul osos (60%).

Glicoliza este o secvență de reacții în care glucoza este transformată în acid piruvic, cu o producție netă de 2 molecule de ATP. Piruvatul kinazei, hexokinazei și fosfofructului kinazei sunt, printre altele, enzime ale glicolizei care utilizează Mg ca activator.

DNA

ADN-ul este format din două lanțuri de nucleotide care au grupuri fosfat încărcate negativ în structura lor; prin urmare, șuvițele ADN sunt supuse repulsiei electrostatice. Ionii Na ⁺ , K ⁺ și Mg ²⁺ neutralizează sarcinile negative, împiedicând disocierea lanțurilor.

ATP

Molecula ATP are grupe fosfat cu atomi de oxigen încărcați negativ. O repulsie electrică are loc între atomii de oxigen vecini care ar putea scinda molecula de ATP.

Acest lucru nu se întâmplă deoarece magneziul interacționează cu atomii de oxigen vecini, formând un chelat. Se spune că ATP-Mg este forma activă a ATP.

Fotosinteză

Magneziul este esențial pentru fotosinteză, un proces central în utilizarea energiei de către plante. Face parte din clorofilă, care are în interior o structură similară cu grupa hemo a hemoglobinei; dar cu un atom de magneziu în centru în locul unui atom de fier.

Clorofila absoarbe energia ușoară și o folosește în fotosinteză pentru a converti dioxidul de carbon și apa în glucoză și oxigen. Glucoza și oxigenul sunt utilizate mai târziu în producția de energie.

Organism

O scădere a concentrației plasmatice de magneziu este asociată cu spasme musculare; boli cardiovasculare, cum ar fi hipertensiunea; diabet, osteoporoză și alte boli.

Ionul de magneziu este implicat în reglarea funcționării canalelor de calciu în celulele nervoase. La concentrații mari, blochează canalul de calciu. Dimpotrivă, o scădere a calciului produce o activare a nervului permițând intrarea calciului în celule.

Aceasta ar explica spasmul și contracția celulelor musculare din pereții marilor vase de sânge.

Unde găsiți și produceți

Magneziul nu se găsește în natură într-o stare elementară, ci face parte din aproximativ 60 de minerale și numeroși compuși, aflați în mare, roci și saramuri.

Marea are o concentrație de magneziu de 0,13%. Datorită dimensiunii sale, marea este principalul rezervor de magneziu din lume. Alte rezervoare de magneziu sunt Marea Salt Lake (SUA), cu o concentrație de magneziu de 1,1%, și Marea Moartă, cu o concentrație de 3,4%.

Minerale de magneziu, dolomit și magnezit, sunt extrase din vene, folosind metode tradiționale de minare. Între timp, în soluțiile de carnalită se folosesc soluții care permit ieșirea celorlalte săruri la suprafață, păstrând carnalitul pe fundal.

Sarele care conțin magneziu sunt concentrate în iazuri folosind încălzirea solară.

Magneziul este obținut prin două metode: electroliză și reducere termică (procedeu Pidgeon).

Electroliză

În procesele de electroliză se utilizează săruri topite care conțin fie clorură de magneziu anhidră, clorură de magneziu anhidră parțial deshidratată, fie carnalitul anhidru mineral. În unele circumstanțe, pentru a evita contaminarea carnalitului natural, se folosește cel artificial.

Clorura de magneziu poate fi obținută și urmând procedura proiectată de compania Dow. Apa este amestecată într-un floculator cu dolomita minerală ușor calcinată.

Clorura de magneziu prezentă în amestec este transformată în Mg (OH) ₂ prin adăugarea de hidroxid de calciu, conform următoarei reacții:

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

Hidroxidul de magneziu precipitat este tratat cu acid clorhidric, producând clorură de magneziu și apă, conform reacției chimice prezentate:

Mg (OH) ₂ + 2 HCI → MgCl ₂ + 2 H ₂ O

Apoi, clorura de magneziu este supusă unui proces de deshidratare până la atingerea hidratării de 25%, completând deshidratarea în timpul procesului de topire. Electroliza se realizează la o temperatură care variază între 680 și 750 ºC.

MgCl ₂ → Mg + Cl ₂

Clorul diatomic este generat la anod și magneziul topit plutește în vârful sărurilor, unde este colectat.

Reducere termică

Cristale de magneziu depuse din vaporii săi. Sursa: Warut Roonguthai În procesul Pidgeon, amestecul și dolomita calcinată se amestecă cu ferrosiliconul măcinat fin și se așază în replici cilindrice de nichel-crom. Rostourile sunt introduse în interiorul unui cuptor și sunt în serie cu condensatoare amplasate în afara cuptorului.

Reacția are loc la o temperatură de 1200 ° C și o presiune scăzută de 13 Pa. Cristalele de magneziu sunt îndepărtate din condensatoare. Zgura produsă este colectată din partea inferioară a retorturilor.

2 CaO + 2 MgO + Si → 2 Mg (gazos) + Ca ₂ SiO ₄ (zgură)

Oxizii de calciu și magneziu sunt produși prin calcinarea carbonatilor de calciu și magneziu prezenți în dolomit.

reacţii

Magneziul reacționează puternic cu acizii, în special cu oxiacii. Reacția sa cu acidul nitric produce azotat de magneziu, Mg (NO ₃ ) ₂ . În același mod, reacționează cu acidul clorhidric pentru a produce clorură de magneziu și gaz hidrogen.

Magneziul nu reacționează cu alcaline, cum ar fi hidroxidul de sodiu. La temperatura camerei este acoperit cu un strat de oxid de magneziu, insolubil în apă, care îl protejează de coroziune.

Formează compuși chimici, printre alte elemente, cu clor, oxigen, azot și sulf. Este foarte reactiv cu oxigenul la temperaturi ridicate.

Aplicații

- Magneziu elementar

aliaje

Aliajele de magneziu au fost utilizate în avioane și automobile. Acestea din urmă au ca cerință controlul emisiilor de gaze poluante, o reducere a greutății autovehiculelor.

Aplicațiile de magneziu se bazează pe greutatea sa redusă, rezistența mare și ușurința de a fabrica aliaje. Aplicațiile includ instrumente de mână, articole sportive, camere de luat vederi, aparate, rame pentru bagaje, piese auto, articole pentru industria aerospațială.

Aliajele de magneziu sunt de asemenea utilizate la fabricarea avioanelor, rachetelor și sateliților spațiali, precum și în fotogravura pentru producerea unei gravuri rapide și controlate.

Metalurgie

Magneziul este adăugat într-o cantitate mică de fontă albă, care îi îmbunătățește rezistența și maleabilitatea. În plus, magneziu amestecat cu var este injectat în fier cuptor lichid, îmbunătățind proprietățile mecanice ale oțelului.

Magneziul este implicat în producția de titan, uraniu și hafniu. Acționează ca agent de reducere a tetraclorurii de titan, în procesul Kroll, pentru a da naștere la titan.

Electrochimie

Magneziul este utilizat într-o celulă uscată, acționând ca anod și clorură de argint ca catod. Când magneziul intră în contact electric cu oțelul în prezența apei, acesta se corodează sacrificial, lăsând oțelul intact.

Acest tip de protecție din oțel este prezent în nave, rezervoare de stocare, încălzitoare de apă, structuri de poduri etc.

Pirotehnie

Magneziul sub formă de pulbere sau bandă arde, emitând o lumină albă foarte intensă. Această proprietate a fost folosită în pirotehnia militară pentru incendierea sau iluminarea prin incendii.

Solidul său fin divizat a fost utilizat ca o componentă de combustibil, în special în propulsoarele rachetei solide.

- Compuși

Carbonat de magneziu

Este folosit ca izolator termic pentru cazane și conducte. Fiind higroscopic și solubil în apă, este utilizat pentru a preveni compactarea sării comune în agitatorii de sare și să nu curgă corect în timpul condimentării alimentelor.

Hidroxid de magneziu

Are aplicație ca ignifug. Dizolvat în apă, formează bine-cunoscutul lapte de magnezie, o suspensie albicioasă care a fost folosită ca antiacid și laxativ.

Clorura de magneziu

Se folosește la fabricarea cimentului de podea de înaltă rezistență, precum și ca aditiv la fabricarea textilelor. În plus, este utilizat ca floculant în laptele de soia pentru producerea de tofu.

Oxid de magneziu

Este utilizat la fabricarea cărămizilor refractare pentru a rezista la temperaturi ridicate și ca izolator termic și electric. Este, de asemenea, utilizat ca laxativ și antiacid.

Sulfat de magneziu

Este folosit industrial pentru fabricarea cimentului și a îngrășămintelor, pentru bronzare și vopsire. Este, de asemenea, un desicant. Sare Epsom, MgSO ₄ · 7H ₂ O, este utilizată ca purgativ.

- Minerale

pudra de talc

Este considerat cel mai mic standard de duritate (1) pe scara Mohs. Servește ca umplutură la fabricarea hârtiei și a cartonului, precum și la prevenirea iritării și hidratării pielii. Este utilizat la fabricarea materialelor termorezistente și ca bază a multor pulberi utilizate în produse cosmetice.

Crizotil sau azbest

A fost folosit ca izolator termic și în industria construcțiilor pentru fabricarea de plafoane. În prezent, nu este utilizat datorită fibrelor canceroase pulmonare.

Referințe

1. Mathews, CK, van Holde, KE și Ahern, KG (2002). Biochimie. 3 a ^fost ediția. Editorial Pearson Educación, SA
2. Wikipedia. (2019). Magneziu. Recuperat de la: en.wikipedia.org
3. Clark J. (2012). Lipire metalică. Recuperat din: chemguide.co.uk
4. Hull AW (1917). Structura de cristal a magneziului. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 3 (7), 470–473. doi: 10.1073 / pnas.3.7.470
5. Timotei P. Hanusa. (7 februarie 2019). Magneziu. Encyclopædia Britannica. Recuperat de la: britannica.com
6. Hangzhou LookChem Network Technology Co. (2008). Magneziu. Recuperat de la: lookchem.com