מגנזיום: היסטוריה, מבנה, תכונות, תגובות, שימושים - כִּימִיָה - 2025

מגנזיום הוא מתכת הארץ אלקליין השייכים לקבוצה 2 של הטבלה המחזורית. המספר האטומי שלו הוא 12 והוא מיוצג על ידי הסמל הכימי Mg. זהו היסוד השמיני השופע ביותר בקרום כדור הארץ, כ -2.5% ממנו.

מתכת זו, בדומה למקבליה ומתכות האלקליות שלה, אינה נמצאת בטבע במצבה המולד, אלא משתלבת עם אלמנטים אחרים ליצירת תרכובות רבות שנמצאות בסלעים, מי ים ובמלחת מים.

חפצים יומיומיים המיוצרים במגנזיום. מקור: Firetwister מוויקיפדיה.

מגנזיום הוא חלק ממינרלים כמו דולומיט (סידן ומגנזיום פחמתי), מגנזיט (מגנזיום פחמתי), קרנליט (מגנזיום ואשלגן כלורי הקסהידרט), ברוציט (מגנזיום הידרוקסיד) ובסיליקט כמו טלק ו- אוליבין.

המקור הטבעי העשיר ביותר שלו בשל התארכותו הוא הים שיש לו 0.13%, אם כי אגם המלח הגדול (1.1%) וים המלח (3.4%) הם בעלי ריכוז גבוה יותר של מגנזיום. יש מי מלח עם תוכן גבוה ממנו, המרוכז על ידי אידוי.

השם מגנזיום מקורו כנראה במגנזיט שנמצא במגנזיה, באזור תסאלי, אזור יוון העתיק. אם כי, צוין כי מגנטיט ומנגן נמצאו באותו אזור.

המגנזיום מגיב חזק עם חמצן בטמפרטורות מעל 645 מעלות צלזיוס. בינתיים, אבקת מגנזיום נשרפת באוויר יבש, ופולטת אור לבן עז. מסיבה זו הוא שימש כמקור אור בצילום. נכון לעכשיו, נכס זה משמש עדיין לפירוטכניקה.

זהו מרכיב חיוני עבור יצורים חיים. ידוע שהוא קופקטור ליותר מ- 300 אנזימים, כולל אנזימים של גליקוליזה. זהו תהליך חיוני עבור יצורים חיים עקב הקשר שלו עם ייצור ה- ATP, מקור האנרגיה הסלולרי הראשי.

בדומה, זהו חלק ממכלול הדומה לקבוצת ההמוגלובין, המצויים בכלורופיל. זהו פיגמנט שלוקח חלק במימוש הפוטוסינתזה.

הִיסטוֹרִיָה

הַכָּרָה

ג'וזף בלאק, כימאי סקוטי, בשנת 1755 זיהה אותו כאלמנט, והראה באופן ניסיוני שהוא שונה מסידן, מתכת איתה התבלבלו.

בעניין זה, בלאק כתב: "אנו כבר רואים בניסוי שמגנזיה אלבה (מגנזיום קרבונט) היא תרכובת של אדמה מיוחדת ואוויר קבוע."

בידוד

בשנת 1808 הצליח סר האמפרי דייווי לבודד אותו באמצעות אלקטרוליזה כדי לייצר אמלגם של מגנזיום וכספית. זה עשה זאת על ידי אלקטרוליזציה של מלח הגופרתי הרטוב שלה באמצעות כספית כקתודה. בהמשך, התאדה את הכספית מהמלגם על ידי חימום, והשאירה את שאריות המגנזיום.

א 'ביזי, מדען צרפתי, הצליח לייצר את המגנזיום המתכתי הראשון בשנת 1833. לשם כך, בייסי ייצרה הפחתה של מגנזיום כלוריד מותך עם אשלגן מתכתי.

בשנת 1833 השתמש המדען הבריטי מייקל פאראדיי בפעם הראשונה באלקטרוליזה של מגנזיום כלוריד לבידוד המתכת הזו.

הפקה

בשנת 1886 השתמשה החברה הגרמנית Aluminum und Magnesiumfabrik Hemelingen באלקטרוליזה של קרנליט מותך (MgCl ₂ · KCl · 6H ₂ O) כדי לייצר מגנזיום.

Hemelingen, בשותפות עם המכלול התעשייתי של פרבה (IG Farben), הצליחו לפתח טכניקה לייצור כמויות גדולות של מגנזיום כלוריד מותך לצורך אלקטרוליזה לייצור מגנזיום וכלור.

במהלך מלחמת העולם השנייה החלו חברת כימיה דאו (ארה"ב) ומגנזיום אלקטרון בע"מ (בריטניה) בהפחתה אלקטרוליטית של מי ים; נשאב ממפרץ גלווסטון, טקסס ובים הצפוני להרטפול, אנגליה, לייצור מגנזיום.

במקביל, אונטריו (קנדה) יוצרת טכניקה לייצורה על בסיס תהליך LM Pidgeon. הטכניקה מורכבת מהפחתה תרמית של תחמוצת מגנזיום עם סיליקטים בתמורים שנורים חיצוניים.

מבנה ותצורת אלקטרונים של מגנזיום

המגנזיום מתגבש במבנה משושה קומפקטי, בו כל אחד מהאטומים שלו מוקף בשניים עשר שכנים. זה הופך אותו לצפוף יותר מתכות אחרות, כמו ליתיום או נתרן.

התצורה האלקטרונית שלה היא 3s ² , עם שני אלקטרונים ערכיים ועשרה מהקליפה הפנימית. על ידי שיש אלקטרון נוסף בהשוואה לנתרן, הקשר המתכתי שלו מתחזק.

הסיבה לכך היא שהאטום קטן יותר והגרעין שלו כולל פרוטון אחד נוסף; לכן הם מפעילים השפעה רבה יותר על האלקטרונים של האטומים השכנים, אשר מכווץ את המרחקים ביניהם. כמו כן, מכיוון שיש שני אלקטרונים, רצועת ה- 3s המתקבלת מלאה, והיא מסוגלת לחוש עוד יותר את המשיכה של הגרעינים.

ואז, אטומי ה- Mg בסופו של דבר מניחים גביש משושה צפוף עם קשר מתכתי חזק. זה מסביר את נקודת ההתכה הגבוהה בהרבה (650 מעלות צלזיוס) מזו של נתרן (98 מעלות צלזיוס).

כל מסלולי ה -3 של כל האטומים ושנים עשר שכניהם חופפים לכל הכיוונים בתוך הגביש, ושני האלקטרונים עוזבים עם בואם של שניים אחרים; וכן הלאה, מבלי שהקטיונים של Mg ²⁺ יוכלו להגיע .

מספרי חמצון

המגנזיום יכול לאבד שני אלקטרונים כאשר הוא יוצר תרכובות ולהישאר כקטיון Mg ²⁺ , שהוא איזואלקטרוני לניאון הגז האצילי. כאשר בוחנים את נוכחותו בתרכובת כלשהי, מספר החמצון של מגנזיום הוא +2.

מצד שני, ולמרות שפחות נפוצים, ניתן ליצור את הקטיון Mg ⁺ , שאיבד רק אחד משני האלקטרונים שלו והוא איזואלקטרוני לנתרן. כאשר ההנחה נוכחותו בתרכובת, אז אומרים כי מגנזיום הוא בעל מספר חמצון של +1.

נכסים

מראה חיצוני

מוצק לבן מבריק במצבו הטהור, לפני התחמצנות או תגובה עם אוויר לח.

מסה אטומית

24.304 גרם / מול.

נקודת המסה

650 מעלות צלזיוס

נקודת רתיחה

1,091 מעלות צלזיוס

צְפִיפוּת

1.738 גרם / ס"מ ³ בטמפרטורת החדר. Y 1.584 גרם / ס"מ ³ בטמפרטורת ההיתוך; כלומר, השלב הנוזלי פחות צפוף מהמצב, כמו שקורה ברוב המוחלט של התרכובות או החומרים.

חום של היתוך

848 ק"ג / מול.

חום האידוי

128 ק"ג / מול.

יכולת קלורית מולקולרית

24.869 J / (mol · K).

לחץ אדים

ב 701 K: 1 Pa; כלומר לחץ האדים שלו נמוך מאוד.

אלקטרונגטיביות

1.31 בסולם פאולינג.

אנרגיית יינון

דרגה ראשונה של יינון: 1,737.2 קג"מ / מול (מג ⁺ גז)

דרגה שנייה של יינון: 1,450.7 ק"ג / מול (מג ²⁺ גז, ודורשת פחות אנרגיה)

דרגה שלישית של יינון: 7,732.7 ק"ג / מול (מג ³⁺ גז, ודורשת אנרגיה רבה).

רדיו אטומי

160 בערב.

רדיוס קוולנטי

141 ± 17 בערב

נפח אטומי

13.97 ס"מ ³ / מול.

התפשטות תרמית

24.8 מיקרומטר / מ 'K ב 25 מעלות צלזיוס.

מוליכות תרמית

156 W / m K.

התנגדות חשמלית

43.9 nΩ · m ב 20 מעלות צלזיוס.

מוליכות חשמלית

22.4 × 10 ⁶ S ס"מ ³ .

קַשִׁיוּת

2.5 בסולם מוהס.

מִנוּחַ

למגנזיום מתכתי אין שמות אחרים המיוחסים. תרכובותיה, מכיוון שנחשבת כי ברובן יש להן מספר חמצון של +2, מוזכרות באמצעות שמות המניות ללא צורך לבטא את המספר האמור בסוגריים.

לדוגמה, MgO הוא תחמוצת מגנזיום ולא תחמוצת מגנזיום (II). על פי המינוח השיטתי, התרכובת הקודמת היא: מגנזיום חד-חמצני ולא מונומגנזיום חד-חמצני.

בצד הננומטוריה המסורתית, אותו דבר קורה במינוף המניות: שמות התרכובות מסתיימים באותה צורה; כלומר עם הסיומת --ico. לפיכך, MgO הוא תחמוצת מגנזיום, על פי nomenclature זה.

אחרת, לתרכובות האחרות עשויים להיות שמות נפוצים או מינרלוגיים, או מורכבים ממולקולות אורגניות (תרכובות אורגנו-מגנזיום), שהנונומקלטורה שלהן תלויה במבנה המולקולרי ובתחליפי האלקיל (R) או הארי (Ar).

לגבי תרכובות אורגנו-מגנזיום, כמעט כולם הם ריאגנטים Grignard עם הנוסחה הכללית RMgX. לדוגמא, BrMgCH ₃ הוא מתיל מגנזיום ברומיד. שימו לב שהנונומקלטורה לא נראית כל כך מסובכת במגע ראשון.

צורות

סגסוגות

מגנזיום משמש בסגסוגות מכיוון שמדובר במתכת קלה, המשמש בעיקר בסגסוגות עם אלומיניום, מה שמשפר את המאפיינים המכניים של מתכת זו. הוא שימש גם בסגסוגות עם ברזל.

עם זאת, השימוש בו בסגסוגות ירד בגלל נטייתו להתנגש בטמפרטורות גבוהות.

מינרלים ותרכובות

בשל תגובתיותו הוא אינו נמצא בקרום כדור הארץ בצורתו הטבעית או היסודית. במקום זאת, מדובר בחלק מתרכובות כימיות רבות, שנמצאות בתורן בכ -60 מינרלים ידועים.

בין המינרלים הנפוצים ביותר של מגנזיום הם:

-דולומיט, פחמתי של סידן ומגנזיום, MgCO ₃ CaCO ₃

-מגנזיט, מגנזיום קרבונט, CaCO ₃

-ברוציט, מגנזיום הידרוקסיד, מג (OH) ₂

-קרנליט, מגנזיום אשלגן כלורי, MgCl ₂ · KCl · H ₂ O.

כמו כן, זה יכול להיות בצורת מינרלים אחרים כמו:

-קיסריט, מגנזיום סולפט, MgSO ₄ H ₂ O

פורסטריט, סיליקט סיליקון, MgSiO ₄

-קריזוטיל או אסבסט, עוד סיליקט סיליקון , מג ₃ Si ₂ O ₅ (OH) ₄

-Talc, Mg ₃ Si ₁₄ O ₁₁₀ (OH) ₂ .

איזוטופים

המגנזיום נמצא בטבע כשילוב של שלושה איזוטופים טבעיים: ²⁴ מג, עם שפע של 79%; ²⁵ מג, עם 11% שפע; ו ^-26 מג, עם 10% שפע. בנוסף ישנם 19 איזוטופים רדיואקטיביים מלאכותיים.

תפקיד ביולוגי

גליקוליזה

מגנזיום הוא מרכיב חיוני לכל היצורים החיים. לבני אדם צריכה יומית של 300 - 400 מ"ג מגנזיום. תכולת גופו מורכבת בין 22 ל 26 גרם, אצל אדם מבוגר, מרוכז בעיקר בשלד העצם (60%).

גליקוליזה היא רצף של תגובות בהן גלוקוז הופך לחומצה פירובית, עם ייצור נטו של 2 מולקולות ATP. Pyruvate kinase, hexokinase ו- phosphofruct kinase הם אנזימים, בין היתר, של גליקוליזה שמשתמשים ב- MG כפעיל.

DNA

ה- DNA מורכב משתי שרשראות נוקליאוטידים שטענו בקבוצות פוספט באופן שלילי במבנהן; לכן גדילי ה- DNA עוברים דחייה אלקטרוסטטית. יוני Na ⁺ , K ⁺ ו- Mg ²⁺ מנטרלים את המטענים השליליים, ומונעים את ניתוק השרשראות.

ATP

במולקולת ATP יש קבוצות פוספטים עם אטומי חמצן טעונים לשלילה. דוחה חשמלית מתרחשת בין אטומי חמצן שכנים העלולים לקטר את מולקולת ה- ATP.

זה לא קורה מכיוון שמגנזיום מקיים אינטראקציה עם אטומי חמצן שכנים ויוצרים צ'לט. ATP-Mg אומרים שהוא הצורה הפעילה של ATP.

פוטוסינתזה

מגנזיום חיוני לפוטוסינתזה, תהליך מרכזי בשימוש באנרגיה על ידי צמחים. זהו חלק מכלורופיל, שבפנים שלו מבנה הדומה לקבוצת ההמוגלובין; אבל עם אטום מגנזיום במרכז במקום אטום ברזל.

הכלורופיל קולט אנרגיית אור ומשתמש בה בפוטוסינתזה כדי להמיר פחמן דו חמצני ומים לגלוקוז וחמצן. גלוקוז וחמצן משמשים בהמשך לייצור אנרגיה.

אורגניזם

ירידה בריכוז המגנזיום בפלזמה קשורה להתכווצויות שרירים; מחלות לב וכלי דם, כגון יתר לחץ דם; סוכרת, אוסטאופורוזיס ומחלות אחרות.

יון המגנזיום מעורב בוויסות תפקוד תעלות הסידן בתאי העצב. בריכוזים גבוהים הוא חוסם את תעלת הסידן. להפך, ירידה בסידן מייצרת הפעלה של העצב בכך שהיא מאפשרת לסידן להיכנס לתאים.

זה יסביר את העווית והתכווצות תאי השריר בדפנות כלי הדם העיקריים.

היכן למצוא והפקה

המגנזיום לא נמצא בטבע במצב יסודי, אך הוא חלק מכ- 60 מינרלים ותרכובות רבות, הנמצאים בים, סלעים ומי מלח.

לים ריכוז מגנזיום של 0.13%. בשל גודלו, הים הוא מאגר המגנזיום העיקרי בעולם. מאגרי מגנזיום אחרים הם אגם המלח הגדול (ארה"ב), עם ריכוז מגנזיום של 1.1%, וים המלח, עם ריכוז של 3.4%.

מינרלים מגנזיום, דולומיט ומגנזיט, מופקים מעורקיו בשיטות כרייה מסורתיות. בינתיים משתמשים בפתרונות של קרנליט המאפשרים למלחים האחרים לעלות לפני השטח, תוך שמירה על הקרנליט ברקע.

מי מלח המכילים מגנזיום מרוכזים בבריכות באמצעות חימום סולארי.

המגנזיום מתקבל בשתי שיטות: אלקטרוליזה והפחתה תרמית (תהליך Pidgeon).

הַפרָדָה חַשְׁמָלִית

בתהליכי אלקטרוליזה משתמשים במלחים מותכים המכילים מגנזיום כלוריד נטול מים, מגנזיום כלורי מיובש חלקית או קרנליט מים מינרלים. בנסיבות מסוימות, כדי להימנע מזיהום של הקרנליט הטבעי, נעשה שימוש במלאכותי.

ניתן להשיג גם מגנזיום כלוריד על ידי ביצוע ההליך שתוכנן על ידי חברת דאו. המים מעורבבים בפלוקולטור עם הדולומיט המינרלי הסולן מעט.

המגנזיום כלוריד הקיים בתערובת הופך ל- Mg (OH) _{2 על} ידי תוספת סידן הידרוקסיד, בהתאם לתגובה הבאה:

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

המגנזיום הידרוקסיד המשוחז מטופל בחומצה הידרוכלורית, מייצר מגנזיום כלוריד ומים, בהתאם לתגובה הכימית המתוארת:

מג (OH) ₂ + 2 HCl → MgCl ₂ + 2 H ₂ O

לאחר מכן, מגנזיום כלוריד נתון בתהליך התייבשות עד שהוא מגיע ל -25% הידרציה, ומשלים את ההתייבשות בתהליך ההתכה. אלקטרוליזה מתבצעת בטמפרטורה שמשתנה בין 680 עד 750 מעלות צלזיוס.

MgCl ₂ → Mg + Cl ₂

כלור דיאומי נוצר באנודה והמגנזיום המותך צף לראש המלחים, שם הוא נאסף.

הפחתה תרמית

גבישי מגנזיום הופקעו מאדיו. מקור: Warut Roonguthai בתהליך Pidgeon, הדולומיט הטחון והסחול מעורבב עם פרוסיליקון טחון דק ומונח בתבליני ברזל ניקל-כרום ברזל. הריטים מונחים בתוך תנור ונמצאים בסדרה עם עיבולים הממוקמים מחוץ לתנור.

התגובה מתרחשת בטמפרטורה של 1200 מעלות צלזיוס ולחץ נמוך של 13 פא. גבישי המגנזיום מוסרים מהמעבים. הסיגים המיוצרים נאספים מתחתית הריטים.

2 CaO + 2 MgO + Si → 2 Mg (גזי) + Ca ₂ SiO ₄ (סיגים)

תחמוצות סידן ומגנזיום מיוצרות על ידי סידן של סידן ומגנזיום פחמתי הקיימים בדולומיט.

תגובות

המגנזיום מגיב בעוצמה עם חומצות, בעיקר חומצות אוקסיד. תגובתו עם חומצה חנקתית מייצרת מגנזיום חנקתי, Mg (NO ₃ ) ₂ . באותה דרך היא מגיבה עם חומצה הידרוכלורית לייצור מגנזיום כלוריד וגז מימן.

המגנזיום אינו מגיב עם אלקליות, כמו נתרן הידרוקסיד. בטמפרטורת החדר הוא מכוסה בשכבה של תחמוצת מגנזיום, בלתי מסיסה במים, המגנה עליו מפני קורוזיה.

הוא יוצר תרכובות כימיות, בין שאר היסודות, עם כלור, חמצן, חנקן וגופרית. הוא מגיב מאוד עם חמצן בטמפרטורות גבוהות.

יישומים

- מגנזיום אלמנטרי

סגסוגות

סגסוגות מגנזיום שימשו במטוסים ובמכוניות. לאחרונים יש דרישה לבקרת פליטת הגזים המזהמים, הפחתה במשקל הרכבים המנועיים.

יישומי מגנזיום מבוססים על משקל נמוך, חוזק גבוה וקלות ייצור סגסוגות. היישומים כוללים כלי יד, מוצרי ספורט, מצלמות, מכשירים, מסגרות מזוודות, חלקי רכב, פריטים לתעשיית החלל.

סגסוגות מגנזיום משמשות גם לייצור מטוסים, רקטות ולווייני חלל, כמו גם בתחריט צילום לייצור תחריט מהיר ומבוקר.

מֵטַלוּרגִיָה

מגנזיום מתווסף בכמות קטנה לברזל לבן יצוק, המשפר את חוזקו ואת גמישותו. בנוסף, מוזרק מגנזיום מעורבב עם סיד לתוך ברזל תנור נוזלי, ומשפר את המאפיינים המכניים של הפלדה.

מגנזיום מעורב בייצור טיטניום, אורניום והפניום. זה משמש כחומר הפחתה על טיטניום כלוריד, בתהליך קרול, כדי להוליד טיטניום.

אלקטרוכימיה

מגנזיום משמש בתא יבש, הפועל כאנודה וכלוריד כסף כקתודה. כאשר מגנזיום בא במגע חשמלי עם פלדה בנוכחות מים, הוא מקריב את הקרבנות ומשאיר את הפלדה על כנה.

סוג זה של מיגון פלדה קיים בספינות, מכלי אחסון, דודי מים, מבני גשר וכו '.

פִּירוֹטֶכנִיקָה

מגנזיום באבקה או רצועה כוויות, ופולט אור לבן עז מאוד. נכס זה שימש בפירוטכניקה צבאית להצבת שריפות או הדלקת על ידי התלקחויות.

המוצק המחולק דק שלו שימש כמרכיב דלק, במיוחד במונעי טילים מוצקים.

- תרכובות

מגנזיום קרבונט

הוא משמש כבידוד תרמי לדודים וצינורות. מכיוון שהוא היגרוסקופי ומסיס במים, הוא משמש למניעת הידבקות של מלח נפוץ במלחי המלח ולא זורם כראוי במהלך תיבול המזון.

מגנזיום הידרוקסיד

יש לו יישום כמעכב אש. מומס במים, הוא יוצר את החלב הידוע של מגנזיה, מתלה לבנבן ששימש כחומר נוגד חומצה ומשלשל.

מגנזיום כלוריד

הוא משמש בייצור מלט רצפה בעל חוזק גבוה, כמו גם כתוסף לייצור טקסטיל. בנוסף, הוא משמש כחומר נתן בחלב סויה לייצור טופו.

תחמוצת מגנזיום

הוא משמש בייצור לבנים עקשן כדי להתנגד לטמפרטורות גבוהות וכבידוד תרמי וחשמלי. הוא משמש גם כמשלשל וחומר נוגד חומצה.

מגנזיום סולפט

הוא משמש באופן תעשייתי לייצור מלט ודשנים, שיזוף וצביעה. זה גם יבוש. מלח אפסום, MgSO ₄ · 7H ₂ O, משמש כטיהור.

- מינרלים

אבקת טלק

זה נחשב כסטנדרט הקשיחות הכי פחות (1) בסולם המוהים. זה משמש כמילוי בייצור נייר וקרטון, כמו גם במניעת גירוי והידרציה של העור. הוא משמש בייצור חומרים עמידים בחום וכבסיס של אבקות רבות המשמשות בקוסמטיקה.

חרצית או אסבסט

הוא שימש כמבודד תרמי ובענף הבנייה לייצור תקרות. נכון לעכשיו, הוא אינו משמש בגלל סיבי סרטן הריאות שלו.

הפניות

1. Mathews, CK, van Holde, KE ו- Ahern, KG (2002). בִּיוֹכִימִיָה. 3 ^הייתה המהדורה. העריכה פירסון Educación, SA
2. ויקיפדיה. (2019). מגנזיום. התאושש מ: en.wikipedia.org
3. קלארק ג'יי (2012). מליטה מתכית. התאושש מ: chemguide.co.uk
4. האל AW (1917). מבנה הקריסטל של המגנזיום. הליכי האקדמיה הלאומית למדעים של ארצות הברית, 3 (7), 470–473. doi: 10.1073 / pnas.3.7.470
5. טימותי פ. חנוסה. (7 בפברואר, 2019). מגנזיום. אנציקלופדיה בריטניקה. התאושש מ: britannica.com
6. Hangzhou LookChem Network Technology Co. (2008). מגנזיום. התאושש מ: lookchem.com