MAGNESIO: STORIA, STRUTTURA, PROPRIETÀ, REAZIONI, USI - CHIMICA - 2024

Il magnesio è un metallo alcalino terroso appartenente al gruppo 2 della tavola periodica. Il suo numero atomico è 12 ed è rappresentato dal simbolo chimico Mg. È l'ottavo elemento più abbondante nella crosta terrestre, circa il 2,5%.

Questo metallo, come i suoi congeneri e metalli alcalini, non si trova in natura allo stato nativo, ma si combina con altri elementi per formare numerosi composti presenti nelle rocce, nell'acqua di mare e nella salamoia.

Oggetti di uso quotidiano realizzati con magnesio. Fonte: Firetwister da Wikipedia.

Il magnesio fa parte di minerali come dolomite (carbonato di calcio e magnesio), magnesite (carbonato di magnesio), carnalite (magnesio e cloruro di potassio esaidrato), brucite (idrossido di magnesio) e silicati come talco e olivina.

La sua fonte naturale più ricca per la sua estensione è il mare, che ha un'abbondanza dello 0,13%, sebbene il Gran Lago Salato (1,1%) e il Mar Morto (3,4%) abbiano una maggiore concentrazione di magnesio. Esistono salamoie con un alto contenuto di esso, che viene concentrato per evaporazione.

Il nome magnesio deriva probabilmente dalla magnesite, che si trova in Magnesia, nella regione della Tessaglia, antica regione della Grecia. Tuttavia, è stato sottolineato che nella stessa regione sono stati trovati magnetite e manganese.

Il magnesio reagisce fortemente con l'ossigeno a temperature superiori a 645 ° C. Nel frattempo, la polvere di magnesio brucia nell'aria secca, emettendo un'intensa luce bianca. Per questo motivo è stato utilizzato come fonte di luce in fotografia. Attualmente, questa proprietà è ancora utilizzata nella pirotecnica.

È un elemento essenziale per gli esseri viventi. È noto per essere un cofattore per più di 300 enzimi, inclusi diversi enzimi di glicolisi. Questo è un processo vitale per gli esseri viventi a causa del suo rapporto con la produzione di ATP, la principale fonte di energia cellulare.

Allo stesso modo, fa parte di un complesso simile al gruppo eme dell'emoglobina, presente nella clorofilla. Questo è un pigmento che prende parte alla realizzazione della fotosintesi.

Storia

Riconoscimento

Joseph Black, un chimico scozzese, nel 1755 lo riconobbe come un elemento, dimostrando sperimentalmente che era diverso dal calcio, un metallo con cui lo confondevano.

A questo proposito, Black ha scritto: "Abbiamo già visto per esperimento che la magnesia alba (carbonato di magnesio) è un composto di una terra peculiare e aria fissa".

Isolamento

Nel 1808, Sir Humprey Davy riuscì a isolarlo usando l'elettrolisi per produrre un amalgama di magnesio e mercurio. Lo ha fatto elettrolizzando il suo sale solfato umido con l'uso del mercurio come catodo. Successivamente, ha fatto evaporare il mercurio dal malgama riscaldando, lasciando il residuo di magnesio.

A. Bussy, uno scienziato francese, riuscì a produrre il primo magnesio metallico nel 1833. Per fare questo, Bussy ha prodotto la riduzione del cloruro di magnesio fuso con potassio metallico.

Nel 1833, lo scienziato britannico Michael Faraday utilizzò per la prima volta l'elettrolisi del cloruro di magnesio per isolare questo metallo.

Produzione

Nel 1886, la società tedesca Aluminium und Magnesiumfabrik Hemelingen utilizzò l'elettrolisi della carnalite fusa (MgCl ₂ · KCl · 6H ₂ O) per produrre magnesio.

Hemelingen, in collaborazione con il Farbe Industrial Complex (IG Farben), è riuscito a sviluppare una tecnica per produrre grandi quantità di cloruro di magnesio fuso per l'elettrolisi per la produzione di magnesio e cloro.

Durante la seconda guerra mondiale, la Dow Chemical Company (USA) e Magnesium Elektron LTD (UK) iniziarono la riduzione elettrolitica dell'acqua di mare; pompato da Galveston Bay, Texas e nel Mare del Nord a Hartlepool, in Inghilterra, per la produzione di magnesio.

Allo stesso tempo, l'Ontario (Canada) crea una tecnica per produrlo basata sul processo LM Pidgeon. La tecnica consiste nella riduzione termica dell'ossido di magnesio con silicati in storte cotte esternamente.

Struttura e configurazione elettronica del magnesio

Il magnesio si cristallizza in una struttura esagonale compatta, dove ciascuno dei suoi atomi è circondato da dodici vicini. Questo lo rende più denso di altri metalli, come il litio o il sodio.

La sua configurazione elettronica è 3s ² , con due elettroni di valenza e dieci del guscio interno. Avendo un elettrone in più rispetto al sodio, il suo legame metallico diventa più forte.

Questo perché l'atomo è più piccolo e il suo nucleo ha un protone in più; quindi esercitano un maggiore effetto di attrazione sugli elettroni degli atomi vicini, che contrae le distanze tra loro. Inoltre, poiché ci sono due elettroni, la banda 3s risultante è piena, ed è in grado di sentire ancora di più l'attrazione dei nuclei.

Quindi, gli atomi di Mg finiscono per posare un cristallo esagonale denso con un forte legame metallico. Questo spiega il suo punto di fusione molto più alto (650 ºC) di quello del sodio (98 ºC).

Tutti gli orbitali 3 di tutti gli atomi e dei loro dodici vicini si sovrappongono in tutte le direzioni all'interno del cristallo, ei due elettroni se ne vanno quando altri due vengono; così via, senza che i cationi Mg ²⁺ possano originarsi .

Numeri di ossidazione

Il magnesio può perdere due elettroni quando forma composti e rimanere come il catione Mg ²⁺ , che è isoelettronico al gas nobile neon. Quando si considera la sua presenza in qualsiasi composto, il numero di ossidazione del magnesio è +2.

D'altra parte, e sebbene meno comune, si può formare il catione Mg ⁺ , che ha perso solo uno dei suoi due elettroni ed è isoelettronico al sodio. Quando si presume la sua presenza in un composto, si dice che il magnesio abbia un numero di ossidazione di +1.

Proprietà

Aspetto fisico

Solido bianco brillante allo stato puro, prima di ossidarsi o reagire con aria umida.

Massa atomica

24,304 g / mol.

Punto di fusione

650 ° C.

Punto di ebollizione

1.091 ° C.

Densità

1,738 g / cm ³ a temperatura ambiente. Y 1,584 g / cm ³ alla temperatura di fusione; vale a dire, la fase liquida è meno densa di quella solida, come nel caso della stragrande maggioranza dei composti o delle sostanze.

Calore di fusione

848 kJ / mol.

Calore di vaporizzazione

128 kJ / mol.

Capacità calorica molare

24,869 J / (mol · K).

Pressione del vapore

A 701 K: 1 Pa; cioè, la sua tensione di vapore è molto bassa.

elettronegatività

1.31 della scala Pauling.

Energia ionizzata

Primo livello di ionizzazione: 1.737,2 kJ / mol (Mg ⁺ gas)

Secondo livello di ionizzazione: 1.450,7 kJ / mol (Mg ²⁺ gas e richiede meno energia)

Terzo livello di ionizzazione: 7.732,7 kJ / mol (Mg ³⁺ gas e richiede molta energia).

Radio atomica

160 pm.

Raggio covalente

141 ± 17 pm

Volume atomico

13,97 cm ³ / mol.

Dilatazione termica

24,8 µm / m · K a 25 ° C.

Conduttività termica

156 W / m K.

Resistività elettrica

43,9 nΩ · ma 20 ° C.

Conduttività elettrica

22,4 × 10 ⁶ S cm ³ .

Durezza

2.5 sulla scala di Mohs.

Nomenclatura

Il magnesio metallico non ha altri nomi attribuiti. I suoi composti, poiché si ritiene che nella maggioranza abbiano un numero di ossidazione pari a +2, vengono citati utilizzando la nomenclatura di base senza la necessità di esprimere tale numero tra parentesi.

Ad esempio, MgO è ossido di magnesio e non ossido di magnesio (II). Secondo la nomenclatura sistematica, il composto precedente è: monossido di magnesio e non monossido di monomagnesio.

Dal lato della nomenclatura tradizionale, la stessa cosa accade con la nomenclatura stock: i nomi dei composti finiscono allo stesso modo; cioè con il suffisso –ico. Quindi, MgO è ossido di magnesio, secondo questa nomenclatura.

In caso contrario, gli altri composti possono o meno avere nomi comuni o mineralogici, oppure sono costituiti da molecole organiche (composti organomagnetici), la cui nomenclatura dipende dalla struttura molecolare e dai sostituenti alchilici (R) o arilici (Ar).

Per quanto riguarda i composti organici di magnesio, quasi tutti sono reagenti di Grignard con la formula generale RMgX. Ad esempio, BrMgCH ₃ è bromuro di metil magnesio. Si noti che la nomenclatura non sembra così complicata a un primo contatto.

forme

leghe

Il magnesio è utilizzato nelle leghe perché è un metallo leggero, essendo utilizzato principalmente nelle leghe con l'alluminio, che migliora le caratteristiche meccaniche di questo metallo. È stato utilizzato anche in leghe con ferro.

Tuttavia, il suo uso nelle leghe è diminuito a causa della sua tendenza a corrodersi alle alte temperature.

Minerali e composti

A causa della sua reattività non si trova nella crosta terrestre nella sua forma nativa o elementare. Piuttosto, fa parte di numerosi composti chimici, che a loro volta si trovano in circa 60 minerali conosciuti.

Tra i minerali più comuni del magnesio ci sono:

-Dolomite, un carbonato di calcio e magnesio, MgCO ₃ CaCO ₃

-Magnesite, un carbonato di magnesio, CaCO ₃

-Brucite, un idrossido di magnesio, Mg (OH) ₂

-carnalite, un cloruro di magnesio e potassio, MgCl ₂ · KCl · H ₂ O.

Inoltre, può essere sotto forma di altri minerali come:

-Kieserite, un solfato di magnesio, MgSO ₄ H ₂ O

-Forsterite, un silicato di magnesio, MgSiO ₄

-Chrisotyl o amianto, un altro silicato di magnesio, Mg ₃ Si ₂ O ₅ (OH) ₄

-Talc, Mg ₃ Si ₁₄ O ₁₁₀ (OH) ₂ .

isotopi

Il magnesio si trova in natura come una combinazione di tre isotopi naturali: ²⁴ Mg, con il 79% di abbondanza; ²⁵ Mg, con 11% di abbondanza; e ²⁶ Mg, con il 10% di abbondanza. Inoltre, ci sono 19 isotopi radioattivi artificiali.

Ruolo biologico

La glicolisi

Il magnesio è un elemento essenziale per tutti gli esseri viventi. Gli esseri umani hanno un'assunzione giornaliera di 300-400 mg di magnesio. Il suo contenuto corporeo è compreso tra 22 e 26 g, in un essere umano adulto, concentrato principalmente nello scheletro osseo (60%).

La glicolisi è una sequenza di reazioni in cui il glucosio si trasforma in acido piruvico, con una produzione netta di 2 molecole di ATP. Piruvato chinasi, esochinasi e fosfofrotto chinasi sono enzimi, tra gli altri, della glicolisi che utilizzano Mg come attivatore.

DNA

Il DNA è costituito da due catene nucleotidiche che hanno gruppi fosfato caricati negativamente nella loro struttura; pertanto, i filamenti di DNA subiscono repulsione elettrostatica. Gli ioni Na ⁺ , K ⁺ e Mg ²⁺ neutralizzano le cariche negative, prevenendo la dissociazione delle catene.

ATP

La molecola di ATP ha gruppi fosfato con atomi di ossigeno caricati negativamente. Si verifica una repulsione elettrica tra atomi di ossigeno vicini che potrebbero scindere la molecola di ATP.

Ciò non accade perché il magnesio interagisce con gli atomi di ossigeno vicini, formando un chelato. Si dice che l'ATP-Mg sia la forma attiva di ATP.

Fotosintesi

Il magnesio è essenziale per la fotosintesi, un processo centrale nell'uso dell'energia da parte delle piante. Fa parte della clorofilla, che ha al suo interno una struttura simile al gruppo eme dell'emoglobina; ma con un atomo di magnesio al centro invece di un atomo di ferro.

La clorofilla assorbe l'energia luminosa e la utilizza nella fotosintesi per convertire l'anidride carbonica e l'acqua in glucosio e ossigeno. Il glucosio e l'ossigeno vengono utilizzati successivamente nella produzione di energia.

Organismo

Una diminuzione della concentrazione plasmatica di magnesio è associata a spasmi muscolari; malattie cardiovascolari, come l'ipertensione; diabete, osteoporosi e altre malattie.

Lo ione magnesio è coinvolto nella regolazione del funzionamento dei canali del calcio nelle cellule nervose. Ad alte concentrazioni blocca il canale del calcio. Al contrario, una diminuzione del calcio produce un'attivazione del nervo consentendo al calcio di entrare nelle cellule.

Questo spiegherebbe lo spasmo e la contrazione delle cellule muscolari nelle pareti dei principali vasi sanguigni.

Dove trovare e produzione

Il magnesio non si trova in natura allo stato elementare, ma fa parte di circa 60 minerali e numerosi composti, situati nel mare, nelle rocce e nelle saline.

Il mare ha una concentrazione di magnesio dello 0,13%. A causa delle sue dimensioni, il mare è il principale serbatoio di magnesio al mondo. Altri serbatoi di magnesio sono il Great Salt Lake (USA), con una concentrazione di magnesio dell'1,1%, e il Mar Morto, con una concentrazione del 3,4%.

I minerali di magnesio, dolomite e magnesite, vengono estratti dalle sue vene utilizzando metodi di estrazione tradizionali. Nel frattempo, nella carnalite si utilizzano soluzioni che permettono agli altri sali di risalire in superficie, mantenendo la carnalite sullo sfondo.

Le salamoie contenenti magnesio vengono concentrate negli stagni utilizzando il riscaldamento solare.

Il magnesio si ottiene con due metodi: elettrolisi e riduzione termica (processo Pidgeon).

Elettrolisi

Sali fusi contenenti cloruro di magnesio anidro, cloruro di magnesio anidro parzialmente disidratato o la carnalite minerale anidra vengono utilizzati nei processi di elettrolisi. In alcune circostanze, per evitare la contaminazione della carnalite naturale, viene utilizzata quella artificiale.

Il cloruro di magnesio può essere ottenuto anche seguendo la procedura studiata dall'azienda Dow. L'acqua viene miscelata in un flocculatore con il minerale dolomite leggermente calcinato.

Il cloruro di magnesio presente nella miscela viene trasformato in Mg (OH) ₂ per aggiunta di idrossido di calcio, secondo la seguente reazione:

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

L'idrossido di magnesio precipitato viene trattato con acido cloridrico, producendo cloruro di magnesio e acqua, secondo la reazione chimica delineata:

Mg (OH) ₂ + 2 HCl → MgCl ₂ + 2 H ₂ O

Quindi, il cloruro di magnesio viene sottoposto ad un processo di disidratazione fino a raggiungere il 25% di idratazione, completando la disidratazione durante il processo di fusione. L'elettrolisi viene eseguita a una temperatura che varia tra 680 e 750 ºC.

MgCl ₂ → Mg + Cl ₂

Il cloro biatomico viene generato nell'anodo e il magnesio fuso galleggia nella parte superiore dei sali, dove viene raccolto.

Riduzione termica

Cristalli di magnesio depositati dai suoi vapori. Fonte: Warut Roonguthai Nel processo Pidgeon, la dolomite macinata e calcinata viene mescolata con ferrosilicio finemente macinato e collocata in storte cilindriche nichel-cromo-ferro. Le storte sono poste all'interno di un forno e sono in serie con condensatori posti all'esterno del forno.

La reazione avviene ad una temperatura di 1200 ° C e una bassa pressione di 13 Pa. I cristalli di magnesio vengono rimossi dai condensatori. La scoria prodotta viene raccolta dal fondo delle storte.

2 CaO + 2 MgO + Si → 2 Mg (gassoso) + Ca ₂ SiO ₄ (scorie)

Gli ossidi di calcio e magnesio sono prodotti dalla calcinazione dei carbonati di calcio e magnesio presenti nella dolomite.

reazioni

Il magnesio reagisce vigorosamente con gli acidi, in particolare gli ossacidi. La sua reazione con l'acido nitrico produce nitrato di magnesio, Mg (NO ₃ ) ₂ . Allo stesso modo reagisce con l'acido cloridrico per produrre cloruro di magnesio e gas idrogeno.

Il magnesio non reagisce con gli alcali, come l'idrossido di sodio. A temperatura ambiente è ricoperto da uno strato di ossido di magnesio, insolubile in acqua, che lo protegge dalla corrosione.

Forma composti chimici, tra gli altri elementi, con cloro, ossigeno, azoto e zolfo. È altamente reattivo con l'ossigeno ad alte temperature.

applicazioni

- Magnesio elementare

leghe

Le leghe di magnesio sono state utilizzate negli aeroplani e nelle automobili. Questi ultimi hanno come requisito per il controllo delle emissioni di gas inquinanti, una riduzione del peso degli autoveicoli.

Le applicazioni del magnesio si basano sul suo peso ridotto, elevata resistenza e facilità di produzione di leghe. Le applicazioni includono utensili manuali, articoli sportivi, macchine fotografiche, elettrodomestici, telai per valigie, ricambi auto, articoli per l'industria aerospaziale.

Le leghe di magnesio sono anche utilizzate nella fabbricazione di aeroplani, razzi e satelliti spaziali, nonché nella fotoincisione per produrre un'incisione rapida e controllata.

Metallurgia

Il magnesio viene aggiunto in una piccola quantità alla ghisa bianca, che ne migliora la resistenza e la malleabilità. Inoltre, il magnesio miscelato con la calce viene iniettato nel ferro d'altoforno liquido, migliorando le proprietà meccaniche dell'acciaio.

Il magnesio è coinvolto nella produzione di titanio, uranio e afnio. Agisce come agente riducente sul tetracloruro di titanio, nel processo Kroll, per dare origine al titanio.

Elettrochimica

Il magnesio viene utilizzato in una cella a secco, che funge da anodo e il cloruro d'argento come catodo. Quando il magnesio entra in contatto elettrico con l'acciaio in presenza di acqua, si corrode sacrificalmente, lasciando intatto l'acciaio.

Questo tipo di protezione in acciaio è presente nelle navi, nei serbatoi di stoccaggio, negli scaldabagni, nelle strutture dei ponti, ecc.

pirotecnica

Il magnesio in polvere o in strisce brucia, emettendo una luce bianca molto intensa. Questa proprietà è stata utilizzata nella pirotecnica militare per accendere fuochi o accendere razzi.

Il suo solido finemente suddiviso è stato utilizzato come componente del carburante, specialmente nei propellenti per razzi solidi.

- Composti

Carbonato di magnesio

Viene utilizzato come isolante termico per caldaie e tubi. Essendo igroscopico e solubile in acqua, serve per evitare che il sale comune si compatti nelle saliera e non scorra correttamente durante la stagionatura degli alimenti.

Idrossido di magnesio

Ha applicazione come ritardante di fiamma. Sciogliendosi in acqua, forma il noto latte di magnesia, una sospensione biancastra che è stata utilizzata come antiacido e lassativo.

Cloruro di magnesio

Viene utilizzato nella produzione di cemento per pavimenti ad alta resistenza, nonché come additivo nella produzione di tessuti. Inoltre, è utilizzato come flocculante nel latte di soia per la produzione di tofu.

Ossido di magnesio

Viene utilizzato nella fabbricazione di mattoni refrattari per resistere alle alte temperature e come isolante termico ed elettrico. È anche usato come lassativo e antiacido.

Solfato di magnesio

Viene utilizzato industrialmente per produrre cemento e fertilizzanti, concia e tintura. È anche un essiccante. Il sale Epsom, MgSO ₄ · 7H ₂ O, è usato come purgante.

- Minerali

talco

È considerato lo standard di durezza minimo (1) sulla scala di Mohs. Serve come riempitivo nella produzione di carta e cartone, oltre a prevenire l'irritazione e l'idratazione della pelle. È utilizzato nella produzione di materiali resistenti al calore e come base di molte polveri utilizzate nei cosmetici.

Crisotilo o amianto

È stato utilizzato come isolante termico e nel settore edile per la produzione di soffitti. Attualmente non viene utilizzato a causa delle sue fibre di cancro al polmone.

Riferimenti

1. Mathews, CK, van Holde, KE e Ahern, KG (2002). Biochimica. 3 ^{era l'} edizione. Editoriale Pearson Educación, SA
2. Wikipedia. (2019). Magnesio. Estratto da: en.wikipedia.org
3. Clark J. (2012). Incollaggio metallico. Estratto da: chemguide.co.uk
4. Scafo AW (1917). La struttura cristallina del magnesio. Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America, 3 (7), 470–473. doi: 10.1073 / pnas.3.7.470
5. Timothy P. Hanusa. (7 febbraio 2019). Magnesio. Encyclopædia Britannica. Estratto da: britannica.com
6. Hangzhou LookChem Network Technology Co. (2008). Magnesio. Estratto da: lookchem.com