Magnesium ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol Mg und der Ordnungszahl 12. Als acht-häufigstes Element ist es zu etwa zwei Prozent am Aufbau der Erdkruste beteiligt.
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| Allgemein | |||||||||||||||||||||||||
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| Name, Symbol, Ordnungszahl | Magnesium, Mg, 12 | ||||||||||||||||||||||||
| Serie | Erdalkalimetalle | ||||||||||||||||||||||||
| Gruppe, Periode, Block | 2 (IIA), 3, s | ||||||||||||||||||||||||
| Dichte, Mohshärte | 1738 kg/m3, 2,5 | ||||||||||||||||||||||||
| Aussehen | silbrig weiß | ||||||||||||||||||||||||
| Atomar | |||||||||||||||||||||||||
| Atomgewicht | 24,305 amu | ||||||||||||||||||||||||
| Atomradius (berechnet) | 150 pm (145 pm) | ||||||||||||||||||||||||
| Kovalenter Radius | 130 pm | ||||||||||||||||||||||||
| van der Waals-Radius | 173 pm | ||||||||||||||||||||||||
| Elektronenkonfiguration | [Ne]3s2 | ||||||||||||||||||||||||
| e- 's pro Energieniveau | 2, 8, 2 | ||||||||||||||||||||||||
| Oxidationszustände (Oxid) | 2 (stark basisch) | ||||||||||||||||||||||||
| Kristallstruktur | Hexagonal | ||||||||||||||||||||||||
| Physikalisch | |||||||||||||||||||||||||
| Aggregatzustand (Magnetismus) | fest (paramagnetisch) | ||||||||||||||||||||||||
| Schmelzpunkt | 923 K (650 °C) | ||||||||||||||||||||||||
| Siedepunkt | 1363 K (1090 °C) | ||||||||||||||||||||||||
| Molares Volumen | 14,00 · 10-3 m3/mol | ||||||||||||||||||||||||
| Verdampfungswärme | 127,4 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||
| Schmelzwärme | 8,954 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||
| Dampfdruck | 361 Pa bei 923 K | ||||||||||||||||||||||||
| Schallgeschwindigkeit | 4602 m/s bei 293,15 K | ||||||||||||||||||||||||
| Verschiedenes | |||||||||||||||||||||||||
| Elektronegativität | 1,31 (Pauling-Skala) | ||||||||||||||||||||||||
| Spezifische Wärmekapazität | 1020 J/(kg · K) | ||||||||||||||||||||||||
| Elektrische Leitfähigkeit | 22,6 · 106/m Ohm | ||||||||||||||||||||||||
| Wärmeleitfähigkeit | 156 W/(m · K) | ||||||||||||||||||||||||
| 1. Ionisierungsenergie | 737,7 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||
| 2. Ionisierungsenergie | 1450,7 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||
| 3. Ionisierungsenergie | 7732,7 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||
| Stabilste Isotope | |||||||||||||||||||||||||
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| NMR-Eigenschaften | |||||||||||||||||||||||||
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| SI-Einheiten und Standardbedingungen werden benutzt, sofern nicht anders angegeben. | |||||||||||||||||||||||||
Bemerkenswerte Eigenschaften
Das feste, silbrig-glänzende Leichtmetall Magnesium, das circa ein Drittel leichter als Aluminium ist, überzieht sich an Luft mit einer schützenden Oxidhaut, in Wasser mit einer schwerlöslichen Magnesiumhydroxidschicht, die bei höheren Temperaturen aber unbeständig ist. Schwache Säuren und Ammoniumsalze greifen die Hydroxidschicht ebenfalls an. Gegen Flusssäure und Alkalien ist es im Gegensatz zum Aluminium relativ beständig. Frisch hergestelltes Magnesiumpulver erwärmt sich an der Luft bis zur Selbstentzündung. Dünnes Band oder Folien lassen sich leicht entzünden. Es verbrennt mit einer grellweißen Flamme zu Magnesiumoxid MgO und Magnesiumnitrid Mg3N2. Auch in vielen Oxiden wie Kohlenmonoxid, Stickoxid und Schwefeldioxid verbrennt Magnesium.
Anwendungen
Metallisches Magnesium
Reines Magnesium hat technisch wenig Bedeutung. Magnesiumband und -draht wird in (Foto-)Blitzbirnen, beziehungsweise früher als Blitzlichtpulver verwendet, Magnesiumpulver in Brandsätzen, -bomben und Leuchtmunition, aber auch als Zusatz in Feuersteinen für Feuerzeuge. In der Metallurgie dient es als vielseitiges Reduktionsmittel :
- Kroll-Prozess zur Herstellung von Titan
- Reduktionsmittel zur Herstellung von Uran, Kupfer, Nickel, Chrom und Zirconium
- Magnesiumpellets zur Entschwefelung von Eisen und Stahl
- Zuschlagstoff für Kugelgrafitguss
In der organischen Chemie wird es zur Herstellung von Grignard-Verbindungen genutzt.
Werkstofftechnisch sind Mg-Al-, Mg-Mn-, Mg-Si-, Mg-Zn- und vor allem Mg-Al-Zn-Legierungen von Bedeutung. Wichtigste Anwendung ist aber wohl die Härtung von Aluminiumlegierungen durch einen Mg-Zusatz bis zu fünf Prozent. Zusätzlich verbessert sich die Schweißbarkeit. Sie finden Anwendung als Verpackungsmaterial, zum Beispiel in Getränkedosen.
In den letzten Jahrzehnten hat man wegen der möglichen Gewichtseinsparung versucht, Aluminium durch Magnesium zu ersetzen. Bei gleicher Belastbarkeit sind Bauteile aus Magnesiumlegierungen leichter als solche aus Kunststoff. Das machte Magnesium schon früh für mobile Anwendungen interessant. 1909 stellte man Anwendungen auf einer Luftschiffausstellung vor. In Kraftfahrzeugen nutzte man Magnesiumlegierungen zur Herstellung von Gehäuseteilen sowie zur Herstellung von Felgen für Großfahrzeuge. Ab den 1930ern verwendete man sie massiv im deutschen Flugzeugbau. Die möglichen Gewichtseinsparungen, gerade im Flugmotorenbau, führten zu einem schnellen Ausbau der Magnesiumgewinnung in den USA Anfang der 1940er. Heute werden auch Fahrgestelle und Rumpfteile von Flugzeugen aus Magnesiumlegierungen hergestellt.
Die Motoren des VW-Käfers bestanden aus Mg-Si-Legierungen. Heute werden im Maschinenbau überwiegend Mg-Al-Zn-Legierungen verwendet. Durch Spritzguss lassen sich viele Bauteile endabmessungsnah, es entfallen daher kostenintensive Nachbearbeitungsschritte, herstellen:
- Felgen
- Profile
- Gehäuse
- Motorhauben
- Motordeckel
Teile des 3-Liter-Lupos sind aus Magnesiumlegierungen gefertigt.
Magnesiumlegierungen zeichnen sich durch hohe Dämpfung aus. Dies führt bei Schwingungsbelastung zu eine Verringerung der Vibration und Geräuschemission. Auch aus diesem Grund sind Magnesiumlegierungen interessante Werkstoffe.
Magnesiumverbindungen
- Totgebranntes Magnesiumoxid zur Auskleidung von Hochtemperaturanlagen wie Schmelzöfen, Gießpfannen und so weiter
- Magnesia (Magnesiumcarbonat) zur Verbesserung des Griffs durch Aufsaugen des Schweißes im Bereich des Turnens, Gewichthebens und der Leichtathletik (oder wird hier MgO genutzt?) .
Medizinische Anwendungen
- Magnesiumhydroxid zur Bindung von überschüssiger Magensäure
Geschichte
Die Herkunft der Elementbezeichnung wird in der Literatur unterschiedlich dargestellt:
- von magnesia (lithos) in der Bedeutung Magnetstein
- von magnesia, einem Gebiet im östlichen Griechenland
- von magnesia, einer Stadt in Kleinasien, auf dem Gebiet der heutigen Türkei.
1755 erkannte Joseph Black in England Magnesium als ein Element. 1808 isolierte Sir Humphry Davy reines Metall durch Elekrolyse einer Mischung aus Magnesia und Quecksilberoxid. AA Bussy stellte es 1831 in massiver Form dar.
Vorkommen
Magnesium kommt natürlich nicht in elementarer Form vor, als Verbindungen überwiegen Carbonate, Silicate, Chloride und Sulfate. Es ist ein sehr häufig vorkommendes Element, bestehen doch ganze Gebirgszüge wie die Dolomiten aus einem magnesiumhaltigen Carbonat, dem Dolomit. In Wässern ist es ebenfalls meistens vorhanden und verursacht zusammen mit dem Calcium die Härte des Wassers. Im Meerwasser ist es mit mehr als 1 kg/m³ enthalten.
Mineralien
Physiologisches
Magnesium ist als Mineralstoff für Mensch, Tier und Pflanze essentiell (lebenswichtig). Im Blattgrün der Pflanzen (Chlorophyll) ist es etwa zu zwei Prozent enthalten. Magnesiummangel löst beim Menschen Krämpfe aus. Auch kann es zum Herzinfarkt kommen. Pflanzen verwelken bei Magnesiummangel.
Herstellung
Die Herstellung von Magnesium erfolgt vorwiegend über zwei Wege:
- Schmelzelektrolyse von geschmolzenem Magnesiumchlorid in DOW-Zellen.
Sie bestehen aus großen eisernen Trögen, die von unten beheizt werden. Als Anoden dienen von oben eingelassene Graphitstäbe, die an den Spitzen von einer ringförmigen Kathode umgeben sind. Das metallische Magnesium sammelt sich auf der Salzschmelze und wird abgeschöpft. Das entstehende Chlorgas sammelt sich im oberen Teil der Zelle und wird wieder verwendet zur Herstellung von Magnesiumchlorid aus Magnesiumoxid. Zur Schmelzpunkterniedrigung des Magnesiumchlorids wird der Salzschmelze noch Calcium- und Natriumchlorid zugesetzt.
- Thermische Reduktion von Magnesiumoxid (Pidgeon Prozess)
In einem Behälter aus Chrom-Nickel-Stahl wird gebrannter Dolomit, Schwerspat und ein Reduktionsmittel wie Ferrosilicium, Koks oder Calciumcarbid eingefüllt. Anschließend wird evakuiert (Abpumpen des Gases) und auf 1160°C erhitzt. Das dampfförmige Magnesium kondensiert am wassergekühlten Kopfstutzen außerhalb des Ofens. Das chargenweise gewonnene Magnesium wird durch Vakuumdestillation weiter gereinigt.
Der Pidgeon Prozess sowie einige andere Herstellverfahren spielen eine untergeordnete Rolle.
Verbindungen
- Magnesiumcarbonat MgCO3
- Magnesiumchlorid MgCl2
- Magnesiumhydroxid (Brucit) Mg(OH)2
- Magnesiumoxid MgO
- Magnesiumsulfat MgSO4
Vorsichtsmaßnahmen
Magnesiumschmelzen und Magnesiumpulver sind leicht brennbar. Mit Luft und Wasser reagieren sie sehr heftig.
Magnesiumbrände dürfen nicht mit Wasser gelöscht werden. Im Allgemeinen wird Sand empfohlen.