Magnesium ist ein chemisches Element mit dem Symbol Mg und der Ordnungszahl 12. Es hat zwei Außenelektronen (Valenzelektronen), wodurch die Chemie des Magnesiums bestimmt wird. Als achthäufigstes Element ist es zu etwa 1,94 % am Aufbau der Erdkruste beteiligt.
Geschichte
Die Herkunft der Elementbezeichnung wird in der Literatur unterschiedlich dargestellt:
1. von altgriech. µa........ in der Bedeutung "Magnetstein",
2. von Magnisia, einem Gebiet im östlichen Griechenland,
3. 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 Magnesia 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.
Die wichtigsten Mineralien sind Dolomit CaMg(CO3)2, Magnesit (Bitterspat) MgCO3, Olivin (Mg, Fe)2 [SiO4], Enstatit MgSiO3 und Kieserit MgSO4 · H2O.
Andere Mineralien sind:
- 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
In Wasser gelöst, verursacht es zusammen mit dem Calcium die Wasserhärte. Im Meerwasser ist es zu mehr als 1 kg/m³ enthalten.
Gewinnung und Darstellung
Die Gewinnung von Magnesium erfolgt vorwiegend über zwei Wege:
- Durch Schmelzflusselektrolyse von geschmolzenem Magnesiumchlorid in Downs-Zellen: Downs-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 Calcium- und Natriumchlorid zugesetzt.
- Durch 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 ist heute der bedeutendste Herstellungsprozess und wird hauptsächlich in China verwendet.
Es wurden 2007 alleine in China ca. 653.000 t Rein-Magnesium erzeugt.[4]
Eigenschaften
Das feste, silbrig-glänzende Leichtmetall Magnesium, das ca. ein Drittel leichter als Aluminium ist, überzieht sich an Luft mit einer Oxidschicht, die, im Gegensatz zu Aluminium, nicht deckend ist. Grund dafür ist, dass das Magnesiumoxid, MgO, mit 10,96 cm³/mol ein geringeres Molvolumen als Magnesium (13,96 cm³/mol) selbst hat. Im Wasser überzieht sich Magnesium mit einer schwerlöslichen Magnesiumhydroxidschicht, welche bei höheren Temperaturen aber unbeständig ist. Schwache Säuren, wie beispielsweise Ammoniumsalze, greifen die Hydroxidschicht ebenfalls an, da sie die Hydroxidionen neutralisieren und so das Löslichkeitsprodukt des Magnesiumhydroxids überschritten wird. Mit Säuren wie der Salzsäure reagiert Magnesium recht heftig. Dabei erwärmt es sich stark. Es wird Wasserstoff frei, der mit dem Luftsauerstoff explosive Gemische bildet. Gegen Fluorwasserstoffsäure und Alkalien ist es im Gegensatz zum Aluminium relativ beständig. Grund dafür ist die geringe Löslichkeit des mit HF gebildeten Magnesiumfluorid, MgF2, bzw. das nicht amphotere Löslichkeitsverhalten von Mg(OH)2. Frisch hergestelltes Magnesiumpulver erwärmt sich an der Luft bis zur Selbstentzündung. Dünne Bänder oder Folien lassen sich leicht entzünden. Es verbrennt mit einer grellweißen Flamme zu Magnesiumoxid MgO und wenig Magnesiumnitrid Mg3N2, wenn es an der Luft verbrennt. Auch in vielen Oxiden wie Kohlenstoffmonoxid, Stickoxid und Schwefeldioxid verbrennt Magnesium.
Vor allem feinverteiltes Magnesium reagiert auch bei niedrigen Temperaturen mit Wasser unter Freisetzung von Wasserstoff. 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.
Reinmagnesium hat eine geringe Festigkeit und Härte. Sein E-Modul liegt bei etwa 45 GPa. 90 % aller Magnesium-Bauteile sind Gussteile. Die Kaltumformung ist wegen der hexagonalen Kristallstruktur extrem schwer, weswegen bei Magnesium die Warmumformung bevorzugt wird.
Verwendung
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 Gewinnung von Titan
- als Reduktionsmittel zur Gewinnung von Uran, Kupfer, Nickel, Chrom und Zirconium
- als Magnesiumgranulat zur Entschwefelung von Eisen und Stahl
- als Zuschlagstoff für Kugelgraphitguss
- als Brennstoff für Fackeln, die unter Wasser brennen.
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 Magnesiumblock Späne abgeschabt und auf (bzw. unter) dem eigentlichen Brennmaterial platziert. Anschließend werden durch Schaben (z. B. ebenfalls mit einem Messer) an der Rückseite Funken möglichst nahe an den Magnesiumspänen erzeugt, die sich daraufhin entzünden. Quelle: Wikipedia
Ganz andere Betrachtungen zum Thema "Magnesium in der Medizin, Das Wesen von Magnesium und der Magnesiummensch" finden Sie in dem Buch "
Verborgene Kräfte der Metalle" von Mellie Uyldert.
