Magnesium

Isotop	NH	t_1/2	ZM	ZE M eV	ZP
²³Mg	{syn.}	11,317 s	ε	4,057	²³Na
²⁴Mg	78,99 %	Mg ist stabil mit 12 Neutronen
²⁵Mg	10 %	Mg ist stabil mit 13 Neutronen
²⁶Mg	11,01 %	Mg ist stabil mit 14 Neutronen
²⁷Mg	{syn.}	9,458 min	β^-	2,610	²⁷Al
²⁸Mg	{syn.}	20,91 h	β^-	1,832	²⁸Al

NMR-Eigenschaften

	²⁵Mg
Kernspin	-5/2
gamma	1,637 · 10⁷ rad/T
Empfindlichkeit	0,00267
Larmorfrequenz bei B = 4,7 T	12,2 M Hz

Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt,
gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Magnesium ist ein chemisches Element mit dem Symbol Mg und der Ordnungszahl 12. Es hat zwei Außenelektronen wodurch die Chemie des Magnesiums bestimmt wird. Als achthäufigstes Element ist es zu etwa 1,4 % am Aufbau der Erdkruste beteiligt.

Geschichte

Die Herkunft der Elementbezeichnung wird in der Literatur unterschiedlich dargestellt:

von altgriech. μαγνησιη λιθός in der Bedeutung „Magnetstein“,
von Magnesia (Griechenland), einem Gebiet im östlichen Griechenland,
von Magnesia, einer Stadt in Kleinasien auf dem Gebiet der heutigen Türkei.

Magnesiumverbindungen waren schon Jahrhunderte vor der Herstellung elementaren Magnesiums bekannt und in Gebrauch. Magnesia alba bezeichnete Magnesiumcarbonat, während Magnesia der gebräuchliche Name für Magnesiumoxid war. Der schottische Physiker und Chemiker Joseph Black war der Erste, der Magnesiumverbindungen im 18. Jahrhundert systematisch untersuchte. 1755 erkannte er in seinem Werk De humore acido a cibis orto et Magnesia alba den Unterschied zwischen Kalk (Calciumcarbonat) und Magnesia alba (Magnesiumcarbonat), die zu dieser Zeit oft verwechselt wurden. Er fasste Magnesisa alba als Carbonat eines neuen Elements auf. Deswegen wird Black oft als Entdecker des Magnesiums genannt, obwohl er nie elementares Magnesium darstellte. 1808 gewann Sir Humphry Davy Magnesium durch Elektrolyse angefeuchteten Magnesiumhydroxids mit Hilfe einer Voltaschen Säule - allerdings nicht in reiner Form, sondern als Amalgam, da er mit einer Kathode aus Quecksilber arbeitete. So zeigte er, dass Magnesia das Oxid eines neuen Metalls ist, das er zunächst Magnium nannte. 1828 gelang es dem französischen Chemiker Antoine Bussy durch das Erhitzen von trockenem Magnesiumchlorid mit Kalium als Reduktionsmittel geringe Mengen von reinem Magnesium darzustellen. 1833 stellte Michael Faraday als erster Magnesium durch die Elektrolyse von geschmolzenem Magnesiumchlorid her. Basierend auf diesen Versuchen arbeitete der deutsche Chemiker Robert Wilhelm Bunsen in den 1840er und 1850er Jahren an Verfahren zur Herstellung von Magnesium durch Elektrolyse von Salzschmelzen mit Hilfe des von ihm entwickelten Bunsenelements. 1852 entwickelte er eine Elektrolysezelle zur Herstellung größerer Mengen von Magnesium aus geschmolzenem, wasserfreien Magnesiumchlorid.

Die technische Erzeugung von Magnesium begann 1857 in Frankreich nach einem Verfahren von Henri Etienne Sainte-Claire Deville und H. Caron. Beim sogenannten Deville-Caron-Prozess wird ein Gemisch aus wasserfreiem Magnesiumchlorid und Calciumfluorid mit Natrium reduziert. In England begann die Firma Johnson Matthey um 1860 mit der Magnesiumherstellung nach einem ähnlichen Verfahren. Wegen Fabrikationsschwierigkeiten blieben diese frühen Unternehmungen allerdings unwirtschaftlich.

Vorkommen

Magnesium kommt in der Natur wegen seiner Reaktionsfreudigkeit nicht in elementarer Form vor. Als Mineral tritt es überwiegend in Form von Carbonaten, Silicaten, Chloriden und Sulfaten auf. In Form von Dolomit ist ein Magnesiummineral sogar gebirgsbildend, so z. B. in den Dolomiten.

In Wässern gelöst verursacht es zusammen mit dem Calcium die Wasserhärte. Im Meerwasser ist es zu mehr als 1 kg/m³ enthalten.

Mineralien

Dolomit CaMg(CO₃)₂
Magnesit (Bitterspat) MgCO₃
Enstatit MgSiO₃
Olivin (Mg, Fe)₂ [SiO₄]
Serpentin Mg₃[Si₂O₅] (OH)₄
Talk Mg₃[Si₄O₁₀] (OH)₂
Meerschaum Mg₄[Si₆O₁₅] (OH)₂
Kieserit MgSO₄ * H₂O
Schönit K₂Mg(SO₄)₂ * 6 H₂O
Carnallit KMgCl₃ * 6 H₂O
Spinell MgAl₂O₄

Lebensmittel

Magnesium findet sich besonders in

Vollkornprodukten (zum Beispiel Vollkornbrot, Reis, Cornflakes, Vollkornnudeln),
Milch und Milchprodukten,
Mineralwasser,
Leber,
Geflügel,
Fisch,
Kartoffeln,
Gemüse,
Beerenobst,
Orangen
Bananen,
Sesam.

Eigenschaften

Das feste, silbrig-glänzende Leichtmetall Magnesium, das circa ein Drittel leichter als Aluminium ist, überzieht sich an Luft mit einer schützenden Oxidschicht, in Wasser mit einer schwerlöslichen Magnesiumhydroxidschicht, welche bei höheren Temperaturen aber unbeständig ist. Schwache Säuren und Ammoniumsalze greifen die Hydroxidschicht ebenfalls an. Gegen Fluorwasserstoffsäure 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 ein wenig Magnesiumnitrid Mg₃N₂. Auch in vielen Oxiden wie Kohlenmonoxid, Stickoxid und Schwefeldioxid verbrennt Magnesium.

Reinmagnesium ist schlecht gießbar und hat eine geringe Festigkeit und Härte.

Verwendung

Metallisches Magnesium

Ein Stab aus Magnesium
(davor eine Kupfermünze zum Größenvergleich)

Produkte aus Magnesium

Magnesiumband und -draht wird in (Foto-)Blitzlampen beziehungsweise früher als Blitzlichtpulver, Magnesiumpulver in Brandsätzen, -bomben und Leuchtmunition, aber auch als Zusatz in Feuersteinen für Feuerzeuge verwendet. Häufig dienen Magnesiumstäbe als Opferanoden, die Teile aus edleren Metallen vor Korrosion schützen.

In der Metallurgie dient es als vielseitiges Reduktionsmittel, z. B.

im Kroll-Prozess zur Herstellung von Titan,
als Reduktionsmittel zur Herstellung von Uran, Kupfer, Nickel, Chrom und Zirkonium,
als Magnesiumgranulat zur Entschwefelung von Eisen und Stahl,
als Zuschlagstoff für Kugelgraphitguss.

In der organischen Chemie wird es zur Herstellung von Grignard-Verbindungen genutzt.

Weil sich Magnesium sehr leicht entzündet, wird es auch als sehr robustes Feuerzeug verwendet. Diese als Fire Starter Kits vertriebenen Magnesiumblöcke haben auf einer Seite einen langen Stab, dessen Abrieb, wie der Feuerstein beim Feuerzeug, sich mit dem Luftsauerstoff entzündet. Die Prozedur ähnelt stark der in der Steinzeit üblichen Methode, durch Feuerstein und Zunder Feuer zu machen, wobei das Magnesium die Rolle des Zunders übernimmt. Zuerst werden mit einem Messer vom Metallblock möglichst lange und dünne Späne abgeschabt und auf dem eigentlichen Brennmaterial plaziert. Anschließend werden durch Schaben an der Rückseite Funken möglichst nahe an den Magnesiumspänen erzeugt, die sich daraufhin entzünden.

Magnesiumlegierungen

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 sowie Motorrad- und Fahrradteile aus Magnesiumlegierungen hergestellt.

Die Kurbelgehäuse der Motoren des VW-Käfers bestanden aus Mg-Si-Legierungen. Heute werden im Maschinenbau überwiegend Mg-Al-Zn-Legierungen verwendet. Durch Druckgießen lassen sich viele Bauteile endabmessungsnah und ohne kostenintensive Nachbearbeitung herstellen, so z. B.

Felgen,
Profile,
Gehäuse,
Motorhauben,
Motordeckel,
Handbremshebel,
Kurbelgehäuse (Motorblock) BMW.

Teile des 3-Liter-Autos VW Lupo und zunehmend auch Fahrzeugteile anderer Automarken werden aus Magnesiumlegierungen gefertigt.

Magnesiumlegierungen zeichnen sich durch hohe Dämpfung aus. Dies führt bei Schwingungsbelastung zu einer Verringerung der Vibration und Geräuschemission. Auch aus diesem Grund sind Magnesiumlegierungen interessante Werkstoffe.

Magnesiumverbindungen

Totgebranntes Magnesiumoxid (Magnesia) zur Auskleidung von Hochtemperaturanlagen wie Schmelzöfen, Gießpfannen usw.,
Magnesiumcarbonat (Magnesia, Chalk) zur Verbesserung des Griffs durch Aufsaugen des Schweißes beim Klettern, Turnen, Gewichtheben sowie in der Leichtathletik,
Magnesiumhydroxid als Antazidum zur Bindung von überschüssiger Magensäure.

Physiologie

Magnesium ist als Mineralstoff für Mensch, Tier und Pflanze unentbehrlich. Im Blattgrün der Pflanzen, dem Chlorophyll, ist es etwa zu zwei Prozent enthalten. Dort bildet es das Zentralatom des Chlorophylls. Pflanzen verwelken bei Magnesiummangel.

Der Mensch benötigt Magnesium für das Zusammenspiel von Muskel und Nerv sowie für die Muskelkontraktion. Magnesiummangel löst beim Menschen Ruhelosigkeit, Nervosität, Reizbarkeit, Kopfschmerzen, Konzentrationsmangel, Müdigkeit, allgemeines Schwächegefühl, Herzrhythmusstörungen und Muskelkrämpfe aus. Im Bereich von Psyche und Stoffwechsel wird vermutet, dass auch Depression und schizophrene Psychosen durch einen Magnesiummangel verstärkt werden. Auch kann es durch Mangel zum Herzinfarkt kommen.

Der Körper enthält ungefähr 20 g Magnesium. Die erforderliche Tagesdosis von ca. 300 mg wird in der Regel durch eine ausgewogene Ernährung mit Vollkornbrot, Nüssen, Gemüse (Blattspinat, Kohlrabi) erreicht. Ein erhöhter Bedarf kann über Nahrungsergänzungsmittel oder Medikamente gedeckt werden. Gefahr von Magnesiummangel besteht beispielsweise

bei kohlenhydratarmer Ernährung oder Diäten,
in der Schwangerschaft und Stillzeit,
in der Wachstumsphase bei Jugendlichen,
bei Alkoholmissbrauch,
bei Stress,
bei Sportlern,
bei Abführmittelmissbrauch, Erbrechen, oder bei langanhaltendem Durchfall.

Bei Magnesiumpräparaten (Tabletten, Kau- oder Lutschtabletten, Granulat) ist bei oraler Aufnahme die Dosierung wichtig. Verschiedene Studien (z. B. J. Clin. Invest. 88 (1991) 396-402) kommen zu dem Ergebnis, dass bei einer Einnahme von 120 mg ca. 35 % resorbiert werden, jedoch bei Einnahme einer kompletten Tagesdosis von 360 mg nur noch ca. 18 %. Für die Aufnahme ist auch die Form der Verbindung, in der das Magnesium vorliegt, von Bedeutung. Organische Salze wie z. B. Magnesiumaspartat oder Magnesiumcitrat werden dabei generell besser vom Körper aufgenommen als anorganische Verbindungen.

Herstellung

Die Herstellung von Magnesium erfolgt vorwiegend über zwei Wege:

Schmelzelektrolyse von geschmolzenem Magnesiumchlorid in DOW-Zellen
DOW-Zellen 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 Herstellungsverfahren spielen heutzutage nur noch eine untergeordnete Rolle.

Nachweis

Der Nachweis von Magnesium gelingt am besten mittels Magneson II, Titangelb oder Chinalizarin.

Zum Nachweis mit Magneson II (4-(4-Nitrophenylazo)-1-naphthol) wird die Ursubstanz in Wasser gelöst und alkalisch gemacht. Danach gibt man einige Tropfen einer Lösung des Azofarbstoffs Magneson II hinzu. Bei Anwesenheit von Magnesium-Ionen entsteht ein dunkelblauer Farblack. Andere Erdalkalimetalle sollten vorher durch Fällung als Carbonate entfernt werden.

Zum Nachweis mit Titangelb (Thiazolgelb G) wird die Ursubstanz in Wasser gelöst und angesäuert. Anschließend wird sie mit einem Tropfen der Titangelb-Lösung versetzt und mit verdünnter Natronlauge alkalisch gemacht. Bei Anwesenheit von Magnesium entsteht ein hellroter Niederschlag. Nickel-, Zink-, Mangan- und Cobalt-Ionen stören diesen Nachweis und sollten vorher als Sulfide gefällt werden.

Zum Nachweis mit Chinalizarin wird die saure Probelösung wird mit 2 Tropfen der Farbstofflösung versetzt. Dann wird verdünnte Natronlauge bis zur basischen Reaktion zugegeben. Eine blaue Färbung oder Fällung zeigt Magnesium an.

Als Nachweisreaktion für Magnesiumsalze kann auch die Bildung von Niederschlägen mit Phosphatsalz-Lösungen herangezogen werden, welche auf pH-Werte von 8 bis 9 gepuffert wurden. Die schwermetallfreie, mit Ammoniak und Ammoniumchlorid auf pH 8-9 gepufferte Probelösung wird dazu mit Dinatriumhydrogenphosphatlösung versetzt. Eine weiße, säurelösliche Trübung von Magnesiumammoniumphosphat MgNH₄PO₄ zeigt Magnesiumionen an:

$\mathrm {Mg^{2+}+NH_{4}^{+}+PO_{4}^{3-}\ \rightarrow \ MgNH_{4}PO_{4}\downarrow }$

Verbindungen

Magnesiumadipat
Magnesiumammoniumphosphat Mg(NH₄)PO₄
Magnesiumaspartathydrochlorid
Magnesiumcarbonat MgCO₃
Magnesiumchlorid MgCl₂
Magnesiumcitrat, das Magnesiumsalz der Zitronensäure, zur Substitutionstherapie
Magnesiumdiborid MgB₂, ein Supraleiter
Magnesiumfluorid MgF₂
Magnesiumhydrid MgH₂
Magnesiumhydroxid (Brucit) Mg(OH)₂
Magnesiummonoperoxyphthalat, ein Desinfektionsmittel zur Flächendesinfektion
Magnesiumoxid MgO
Magnesiumsulfat MgSO₄
Epsomit Mg₂(SO₄)·7H₂O
Spinell MgAl₂O₄

Gefahren und Schutzmaßnahmen

Magnesium in kompakter Form ist unkritisch, solange es nicht über den Schmelzpunkt hinaus erwärmt wird. Anders ist das bei Magnesiumstäuben und Magnesiumspänen, sie sind leichtentzündlich, weil in dieser Form die Wärme schlecht abgeleitet werden kann und deshalb schnell die Zündtemperatur erreicht wird. Außerdem haben sie eine größere Oberfläche. Magnesiumstäube sind darüber hinaus aufgewirbelt in Mischung mit Luft explosionsfähig. Wegen der hohen Reaktionsfreudigkeit des Magnesiums besteht bei Magnesiumstäuben durchaus eine Selbstentzündungsgefahr. Unter besonderen Gegebenheiten ist eine Selbstentzündung sogar bei Magnesiumspänen nicht völlig auszuschließen. Magnesium kann aber auch mit etlichen anderen Stoffen, vorzugsweise mit sauerstoffhaltigen Verbindungen, chemisch reagieren. Magnesiumoxid ist eine sehr stabile Verbindung. Magnesium reagiert z.B. auch bei niedrigen Temperaturen mit Wasser unter Freisetzung von Wasserstoff. Für diese Reaktion spielt die Wasserzusammensetzung und -temperatur, insbesondere aber die Teilchengröße des Magnesiums eine entscheidende Rolle. Bei einer großen spezifischen Oberfläche (Späne, Stäube) kann soviel Wasserstoff frei werden, daß dieser mit Luft ein explosionsfähiges Gemisch (Knallgas) bildet. Gefährliche Reaktionen sind besonders bei höheren Temperaturen, das heißt bei schmelzflüssigem und brennendem Magnesium zu erwarten. Für gängige Magnesiumlegierungen liegt der Schmelzbereich zwischen 430 und 630 Grad C. Die Schmelze entzündet sich an der Luft und brennt an der Oberfläche, wenn keine geeigneten Schutzmaßnahmen getroffen werden. Bei Magnesiumbränden treten Temperaturen bis zu etwa 3000 Grad C auf. Erkennbar ist dies an dem grellen Lichtschein. Wegen der hohen Verbrennungstemperaturen des Magnesiums kann ein Magnesiumbrand nicht mit Wasser oder wasserhaltigen Löschmitteln gelöscht werden. Das Wasser dissoziiert, es wird also in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten; Knallgasreaktionen mit möglichen fatalen Auswirkungen sind die Folge. Magnesiumbrände lassen sich nur äußerst schwierig löschen. Die Löschung erfolgt durch Ersticken (Sauerstoffverdrängung) mit eigens für Metallbrände geeigneten Löschmitteln.

Beispiele für geeignete Löschmittel:

Löschpulver der Brandklasse D
trockene Abdecksalze für Magnesiumschmelzen
trockener Sand
Magnesiumoxid-Pulver
trockene rostfreie Graugußspäne
Löschgase (z.B. Argon) unter besonderen Bedingungen

Beispiele für ungeeignete Löschmittel:

Wasser !
Löschschaum !
Löschpulver der Brandklassen A,B,C
Löschpulver der Brandklassen B,C
Kohlendioxid (CO 2)
Stickstoff (N 2)

Besondere Bedingungen für den Einsatz von Löschgasen:

In begrenzten geschlossen Räumen (Behälter, technische Apparaturen, Maschinen) ist der Einsatz sauerstoffverdrängender Gase (z. B. Argon) als Löschgas möglich, wenn eine löschwirksame Konzentration des Gases über eine für das Löschen ausreichend lange Zeit aufrechterhalten bleibt.

Die Schutzmaßnahmen zur Vermeidung von Bränden und Explosionen bzw. zur Begrenzung der Auswirkungen von Bränden und Explosionen auf ein unbedenkliches Maß sind vielfältig. Auf sie kann an dieser Stelle deshalb nur zusammenfassend eingegangen werden. Vor Aufnahme der Be- und Verarbeitung, des Schmelzen und Gießen von Magnesium sollte in jedem Falle auf die einschlägigen Arbeitsschutz-Regeln zurückgegriffen werden.

Für den Umgang mit Magnesium zum Beispiel in metallbe- und verarbeitenden Betrieben lassen sich die wesentlichen Schutzmaßnahmen wie folgt zusammenfassen:

Verringerung der Brandlast (Späne- und Staubbeseitigung),
Vermeidung explosionsfähiger Atmosphäre (Magnesiumstaub, Wasserstoff, Aerosole und Dämpfe brennbarer Kühlschmierstoffe),
Vermeidung von Zündquellen,
Verhinderung von Entzündungen bei Magnesiumschmelzen,
Maßnahmen zur Brandbekämpfung und zur Verhinderung der Brandausbreitung,
Fernhalten von Wasser im Falle eines Magnesiumbrandes,
Vermeiden von Feuchtigkeit bei Magnesiumschmelzen.

Darüber hinaus sollte die Feuerwehr informiert werden, damit notwendige Maßnahmen des vorbeugenden und abwehrenden Brandschutzes abgestimmt werden können.

Weblinks

Wiktionary: Magnesium – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Commons: Magnesium – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

WebElements.com - Magnesium
EnvironmentalChemistry.com - Magnesium
Abbildung in der Elementansammlung von Heinrich Pniok auf www.Pniok.de
Verbrennung von Magnesium (engl.)
[1]Der menschliche Magnesiumbedarf, Magnesiummangel
[2]Mineralstofftabelle mit Magnesium-Gehalt von mehr als 4500 Lebensmitteln