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是一種輕質有延展性的銀白色金屬。即白色氧化鎂,magnesium,元素符號Mg。鎂的原子序為12,原子量為24.3,是典型的二價金屬,具有金屬的共有特性。

是地球的地殼中第八豐富的元素,亦是宇宙中第九多元素。密度1.74克/厘米³,熔點648.8℃。沸點1107℃。化合價+2,電離能7.646電子伏特,是輕金屬之一,具有延展性,能與熱水反應放出氣,燃燒時能產生眩目的白光,許多金屬是用熱還原其鹽和氧化物來製備。鎂元素在自然界廣泛分布,是人體的必需元素之一。

金屬鎂能與大多數非金屬和差不多所有的酸化合,大多數鹼,以及包括和大多數油類在內的有機化學藥品與鎂僅僅輕微地或者根本不起作用。

基本信息

中文名 化學式 Mg
外文名 Magnesium 管制類型 鎂粉(*)(易制爆),其餘性狀不管制
相對原子質量 24.3050 儲存 密封陰涼乾燥保存

基本簡介

鎂(Magnesium)是一種化學元素,它的化學符號是Mg,它的原子序數是12,是一種銀白色的鹼土金屬。鎂是地球的地殼中第八豐富的元素,亦是宇宙中第九多元素。

基本性質

鎂屬於元素周期表上的IIA族鹼土金屬元素。具有銀白色光澤,略有延展性。鎂的密度小,離子化傾向大。

在空氣中,鎂的表面會生成一層很薄的氧化膜,使空氣很難與它反應。鎂和、水反應能夠生成氫氣。

粉末或帶狀的鎂在空氣中燃燒時會發出強烈的白光。在氮氣中進行高溫加熱,鎂會生成氮化鎂(Mg₃N₂);鎂也可以和鹵素髮生強烈反應;鎂也能直接與硫化合。鎂的檢測可以用EDTA滴定法分析。

礦藏分布

地殼中存在形式:菱鎂礦(碳酸鎂)MgCO₃,白雲石(碳酸鎂鈣)CaMg(CO₃)₂,光鹵石(水合氯化鎂鉀)KCl·MgCl₂·H₂O中。

歷史簡介

  • 第一個確認鎂是一種元素的是Joseph Black,在愛丁堡(英國)於1755年。他辨別了石灰(氧化鈣,CaO)中的苦土(氧化鎂,MgO),然而兩者各自都是由加熱類似於碳酸鹽岩,菱鎂礦和石灰石來製取。另一種鎂礦石叫做海泡石(硅酸鎂),於1799年由Thomas Henry報告,他說這種礦石更多的用於製作煙斗,在土耳其。
  • 不純淨的鎂金屬在1792年由Anton Rupprecht首次製取,他加熱苦土和木炭的混合物。純淨但非常小量的金屬鎂在1808年由Humphry Davy電解氧化鎂製取。然而,是法國科學家Antoine-Alexandre-Brutus Bussy使用氯化鈉和鉀反應製取了相當大量的金屬鎂於1831年,之後他開始研究它的特性。
  • 許多世紀以前,古羅馬人認為「magnesia」(希臘Magnesia地區出產的一種白色鎂鹽,鎂元素即因此得名)能治療多種疾病。直到1808年,英國化學家戴維採用電解苦土(含鎂)的方法分離出元素鎂。20世紀30年代初 E·V·McCollum 及其同事首次用鼠和狗作為實驗動物,系統地觀察了鎂缺乏的反應。1934年首次發表了少數人在不同疾病的基礎上發生鎂缺乏的臨床報道。證實鎂是人體的必需元素。
  • 鎂是在自然界中分布最廣的十個元素之一(鎂是在地球的地殼中第八豐富的元素,約占2%的質量,亦是宇宙中第九多元素),但由於它不易從化合物中還原成單質狀態,所以遲遲未被發現。
  • 長時期里,化學家們將從含碳酸鎂的菱鎂礦焙燒獲得的鎂的氧化物苦土當作是不可再分割的物質。在1789年拉瓦錫發表的元素表中就列有它。
  • 1808年,戴維在成功製得鈣以後,使用同樣的辦法又成功的製得了金屬鎂。從此鎂被確定為元素,並被命名為magnesium,元素符號是Mg。Magnesium來自希臘城市美格里亞Magnesia,因為在這個城市附近出產氧化鎂,被稱為magnesia alba,即白色氧化鎂,元素符號Mg。鎂的原子序為12,原子量為24.3,是典型的二價金屬,具有金屬的共有特性。由於鎂的氧化物性質與鈣一樣介於「鹼性」和「土性」之間,故稱為鹼土金屬元素。

物理性質

  • 外觀與性狀:銀白色有金屬光澤的粉末。
  • 溶解性:不溶於水、鹼液,溶於酸。
熔點(℃) 648
沸點(℃) 1107
相對密度(水=1) 1.74
燃燒熱(kJ/mol) 609.7
引燃溫度(℃) 480~510

化學性質

  • 鎂條燃燒生成氧化鎂。具有比較強的還原性,能與沸水反應放出氫氣,燃燒時能產生眩目的白光,鎂與氟化物、氫氟酸和鉻酸不發生作用,也不受苛性鹼侵蝕,但極易溶解於有機和無機酸中,鎂能直接與氮、硫和鹵素等化合,包括烴、醛、醇、酚、胺、脂和大多數油類在內的有機化學藥品與鎂僅僅輕微地或者根本不起作用。[1]
  • 但和鹵代烴在無水的條件下反應卻較為劇烈(生成格氏試劑)鎂能和二氧化碳發生燃燒反應,因此鎂燃燒不能用二氧化碳滅火器滅火。鎂由於能和N₂和O₂反應,所以鎂在空氣中燃燒時,劇烈燃燒發出耀眼白光,放熱,生成白色固體。在食醋中的變化為快速冒出氣泡,浮在醋液面上,逐漸消失。一些煙花和照明彈里都含有鎂粉,就是利用了鎂在空氣中燃燒能發出耀眼的白光的性質。鎂元素在化學反應中的化合價通常為+2價。

與非金屬單質的反應

  • 2Mg+O₂==點燃==2MgO
  • 3Mg+N₂==點燃==Mg₃N₂
  • Mg+Cl₂==點燃==MgCl₂

與水的反應

Mg+2H2O(熱水)== Mg(OH)₂+H₂↑

與酸的反應

  • Mg+2HCl=MgCl₂+H₂↑
  • Mg+H₂SO₄=MgSO₄+H₂↑

與氧化物的反應

  • 2Mg+CO₂=點燃=2MgO+C
  • 元素在太陽中的含量 700(ppm)
  • 元素在海水中的含量 1200(ppm)
  • (類似於鋁熱反應,用活潑金屬還原氧化物)

鎂與氯化銨反應

  • 鎂與氯化銨的反應,究其本質,還是鎂與酸的反應。
  • 氯化銨溶液中銨根離子水解,溶液顯酸性。當加入鎂粉之後,鎂與溶液中的氫離子反應,放出氫氣,同時放出大量的熱。銨根離子的水解產物——氨水,受熱之後,則發生分解。故此反應可以得到兩種氣體。
  • 總反應方程式:Mg + 2NH₄Cl ===MgCl₂+ 2NH₃↑ + H₂↑
  • 上式實際可拆分為下列反應方程式:鎂和碳酸氫鹽反應,鎂和鹼金屬氫氧化物反應
  • 通常認為,鎂不會和鹼金屬的氫氧化物(如KOH)反應,因為鎂是鹼性金屬,而不是兩性金屬。但是,在高溫下,鎂可以參與氧化還原反應,如和NaOH反應,產生MgO、Na和H₂。

製備方法

工業製法

鎂存在於菱鎂礦(碳酸鎂)MgCO3.白雲石(碳酸鎂鈣)CaMg(CO3)2.光鹵石(水合氯化鎂鉀)KCl·MgCl2·H2O中。工業上利用電解熔融氯化鎂或在電爐中用硅鐵等使其還原而製得金屬鎂,前者叫做熔鹽電解法,後者叫做硅熱還原法。

熔融電解 MgCl2(l)= Mg(s)+Cl2(g)↑

硅熱還原

  1. CaCO3(s)= (高溫)CaO(s)+CO2(g)↑ CaO(s)+H2O(l)=Ca(OH)2(s)
  2. Ca(OH)2(aq)+MgCl2(aq)=Mg(OH)2(s)↓+CaCl2(aq)
  3. Mg(OH)2(s)+2HCl(l)+6H2O(l)=MgCl2·6H2O(s)+2H2O(l)
  4. MgCl2·6H2O(s)=(HCl) MgCl2(s) +6H2O(l)
  5. MgCl2(l)==熔融電解== Mg(s)+Cl2(g)↑

海水中提取

氯化鎂可以從海水中提取,每立方英裏海水含有約120億磅鎂。

MgCl2·6H2O(s)= MgCl2(s) +6H2O(l)

MgCl2(l)==熔融電解== Mg(s)+Cl2(g)↑

基本用途

醫療用途

  • 治療缺鎂和痙攣。
  • 醫療中:如果注射鎂鹽速度太快,會造成發燒和全身不適。

體育用途

  • 在緊張運動幾小時前注射,或在緊張運動後注射以彌補鎂的流失。
  • 體操運動員常塗鎂粉來增加摩擦力。 (是MgCO3)

航空工業的重要材料

  • 金屬鎂能與大多數非金屬和酸反應;在高壓下能與氫直接合成氫化鎂;鎂能與鹵化烴或鹵化芳烴作用合成格利雅試劑,廣泛應用於有機合成。鎂具有生成配位化合物的明顯傾向。
  • 鎂是航空工業的重要材料,鎂合金用於製造飛機機身、發動機零件等;鎂還用來製造照相和光學儀器等;鎂及其合金的非結構應用也很廣;鎂作為一種強還原劑,還用於鈦、鋯、鈹、鈾和鉿等的生產中。
  • 純鎂的強度小,但鎂合金是良好的輕型結構材料,廣泛用於空間技術、航空、汽車和儀表等工業部門。一架超音速飛機約有5%的鎂合金構件,一枚導彈一般消耗100~200公斤鎂合金。
  • 鎂是其他合金(特別是鋁合金)的主要組元,它與其他元素配合能使鋁合金熱處理強化;球墨鑄鐵用鎂作球化劑;而有些金屬(如鈦和鋯)生產又用鎂作還原劑;鎂是燃燒彈彈,照明彈和閃光彈不能缺少的組成物;鎂粉是節日煙花必需的原料;鎂是核工業上的結構材料或包裝材料;鎂肥能促使植物對磷的吸收利用,缺鎂植物則生長趨於停滯。鎂在人民生活中占有重要地位的一種基礎材料。

生理用途

  1. 鎂是人體細胞內的主要陽離子,濃集於線粒體中,僅次於鉀和磷,在細胞外液僅次於鈉和鈣居第三位,是體內多種細胞基本生化反應的必需物質。正常成人身體總鎂含量約25g,其中60%~65%存在於骨、齒,27%分布於軟組織。
  2. 鎂主要分布於細胞內,細胞外液的鎂不超過1%。在鈣、維生素C、磷、鈉、鉀等的代謝上,鎂是必要的物質,在神經肌肉的機能正常運作、血糖轉化等過程中扮演着重要角色。
  3. 鎂是一種參與生物體正常生命活動及新陳代謝過程必不可少的元素。鎂影響細胞的多種生物功能:影響鉀離子和鈣離子的轉運,調控信號的傳遞,參與能量代謝、蛋白質和核酸的合成;可以通過絡合負電荷基團,尤其核苷酸中的磷酸基團來發揮維持物質的結構和功能;催化酶的激活和抑制及對細胞周期、細胞增殖及細胞分化的調控;鎂還參與維持基因組的穩定性,並且還與機體氧化應激和腫瘤發生有關。
  4. 鎂的吸收代謝:成人身體總鎂含量約25g,其中60%~65%存在於骨、齒,27%分布於軟組織。膳食中促進鎂吸收的成分主要有氨基酸、乳糖等;抑制鎂吸收的主要成分有過多的磷、草酸、植酸和膳食纖維等。成人從膳食中攝入的鎂大量從膽汁、胰液和腸液分泌到腸道,其中60%~70%隨糞便排出,部分從汗和脫落的皮膚細胞丟失。
  5. 鎂離子是生物機體中含量較多的一種正離子,其量在整體中僅次於鈣、鈉、鉀而居第四位;鎂離子在細胞內的含量則僅次於鉀離子而居第二位。整粒的種子、未經碾磨的穀物、青葉蔬菜、豆類和堅果是日糧鎂最為豐富的來源;魚、肉、奶和水果中鎂含量較低;經過加工的食物,在加工過程中鎂幾乎全部損失。肌酸六磷酸、粗纖維、乙醇、過量的磷酸鹽和鈣離子削弱了鎂的吸收,這可能是因為降低了內腔鎂的濃度。
  6. 鎂屬於人體營養素——礦物質元素中的一種,屬於礦物質的常量元素類。人體中的鎂60~65%存在於骨骼和牙齒中,27%存在於軟組織中,細胞內鎂離子僅占1%,多以活性形式Mg2+ -ATP形式存在。
  7. 作為酶的激活劑,參與300種以上的酶促反應。糖酵解、脂肪酸氧化、蛋白質的合成、核酸代謝等需要鎂離子參加。
  8. 促進骨的形成。在骨骼中僅次於鈣、磷,是骨細胞結構和功能所必需的元素,對促進骨形成和骨再生,維持骨骼和牙齒的強度和密度具有重要作用。
  9. 調節神經肌肉的興奮性。能抑制鉀、鈣通道。鎂、鈣、鉀離子協同維持神經肌肉的興奮性。血中鎂過低或鈣過低,興奮性均增高;反之則有鎮靜作用。

維護胃腸道和激素的功能。

  • 鎂也是重要的神經傳導物質,它可以讓肌肉放鬆下來;與含鈣食品一同補充,能促進鈣的吸收。
  • 建議攝取量
  • 中國營養學會建議,成年男性每天約需鎂350毫克,成年女性約為300毫克,孕婦以及餵奶期女性約為450毫克,2~3歲兒童為150毫克,3~6歲為200毫克。可耐受最高攝入量(UL)定為700mg/d。
  • 鎂缺乏在臨床上主要表現為情緒不安、易激動、手足抽搐、反射亢進等,正常情況下,由於腎的調節作用,口服過量的鎂一般不會發生鎂中毒。當腎功能不全時,大量口服鎂可引起鎂中毒,表現為腹痛、腹瀉、嘔吐、煩渴、疲乏無力,嚴重者出現呼吸困難、紫紺、瞳孔散大等。
  • 鎂廣泛分布於植物中,肌肉和臟器中較多,乳製品中較少。動物性食品中鎂的利用率較高,達30%~40%,植物性食品中鎂的利用率較低。

代謝吸收

食物中的鎂在整個腸道均可被吸收,但主要是在空腸末端與迴腸部位吸收,吸收率一般約為30%。可通過被動擴散和耗能的主動吸收兩種機制吸收。健康成人從食物中攝入的鎂大量從膽汁、胰液和腸液分泌到腸道,其中60%~70%隨糞便排出,部分從汗和脫落的皮膚細胞丟失,其餘從尿中排出,每天約排出50~120mg,約占攝入量的1/3~1/2。

缺乏表現

  1. 鎂缺乏可致血清鈣下降,神經肌肉興奮性亢進;對血管功能可能有潛在的影響,有人報告低鎂血症患者可有房室性早搏、房顫以及室速與室顫,半數有血壓升高;鎂對骨礦物質的內穩態有重要作用,鎂缺乏可能是絕經後骨質疏鬆症的一種危險因素;少數研究表明鎂耗竭可以導致胰島素抵抗。
  2. 鈣代謝異常。
  3. 造成神經系統問題,如記憶力衰退、神經錯亂、抑鬱症、幻覺、肌肉震顫等。
  4. 影響心臟、骨骼及胃腸道等器官功能。
  5. 引致肌肉無力、抽筋等肌肉問題。

治療措施

  • 輕度缺鎂時,可由飲食或口服補充鎂劑,可給予氧化鎂或用氫氧化鎂,為避免腹瀉可與氫氧化鋁膠聯用。
  • 口服不能耐受或不能吸收時,可採用肌肉注射鎂劑,一般採用20%~50%硫酸鎂。
  • 靜脈給鎂時需注意急性鎂中毒的發生,以免引起心搏驟停。故避免給鎂過多、過快,如遇鎂中毒,應給注射葡萄糖酸鈣或氯化鈣對抗之。

鎂的食物來源

  1. 在植物中也有類似血紅素結構的物質——葉綠素,只不過葉綠素中的金屬原子不是鐵(鐵食品),而是鎂。鎂不但是植物的必需元素,也是人體必需元素。60%的鎂以磷酸鹽和碳酸鹽形式存在於人體骨骼中,28%存在於軟組織中。血紅細胞也含有鎂。
  2. 鎂的豐富來源有海參、榛子、西瓜子、鮑魚、燕麥片、小茴香、小米、莧菜、葵花子、蝦皮、磚茶、綠茶、花茶、海蜇皮、黃豆、木耳、海米、咖啡、可可粉、棉籽粉、花生粉、黑芝麻、大豆粉。
  3. 良好來源有松子、綠豆、青豆、芸豆、口蘑、海帶、豆腐粉、小豆、黑米、香菇(香菇食品)、蠶豆、蓮子、乾貝、姜、金針菜、豌豆、堅果、花生醬、全穀物(如小麥、大麥和燕麥等)。
  4. 一般來源有香蕉、牛肉、麵包、玉米、魚及海產品、豬肉及大多數綠葉蔬菜(蔬菜食品)。
  5. 微量來源有捲心菜、茄子、蛋類、動植物油(油食品)脂、冰淇淋、大多數水果(水果食品)、糖和香腸等。[2]

工業應用

  1. 鎂是最輕的結構金屬材料之一,又具有比強度和比剛度高、阻尼性和切削性好、易於回收等優點。國內外將鎂合金應用於汽車行業,以減重、節能、降低污染,改善環境。發達國家汽車百公里耗油最終將實現3L目標,歐洲汽車用鎂占鎂總消耗量的14%,預計今後將以15~20%的速度遞增,2005年將達到20萬噸。
  2. 與塑料相比,鎂合金具有重量輕、比強度高、減振性好、熱疲勞性能好、不易老化,又有良好的導熱性、電磁屏蔽能力強、非常好的壓鑄工藝性能,尤其易於回收等優點,是替代鋼鐵、鋁合金和工程塑料的新一代高性能結構材料。為適應電子、通訊器件高度集成化和輕薄小型化的發展趨勢,鎂合金是交通、電子信息、通訊、計算機、聲像器材、手提工具、電機、林業、紡織、核動力裝置等產品外殼的理想材料。發達國家非常重視鎂合金開發與應用,尤其在汽車零部件、筆記本電腦等便攜電子產品的應用,每年以20%的速度增長,非常引人注目,發展趨勢驚人。
  3. 金屬鎂是鋁合金中的主要合金元素,世界年需求量在15萬噸左右,2000年中國鋁合金生產290萬噸,用鎂作合金元素,每年約需1.01萬噸。
  4. 隨着汽車工業、石油、天然氣管線、海洋鑽井平台,橋樑建築等領域用高強度低硫鋼的需求不斷增加,中國鞍鋼、寶鋼、武鋼、本鋼、包鋼、攀鋼、首鋼等鋼廠已經用鎂粉深脫硫,獲得優質鋼,取得良好效果。鎂粉用於鋼鐵脫硫具有潛在市場。此外,鎂粉還用於製造化工產品、藥品、煙火、信號、照明彈等材料、金屬還原劑、油漆塗料、焊絲以及供球墨鑄鐵用球化劑等。
  5. 鎂犧牲陽極作為有效的防止金屬腐蝕的方法之一,可廣泛用在地下鐵製管道、石油管道、儲罐、海上設施、裝備、民用等。
  6. 鎂合金型材、管材用作自行車架、輪椅、康復和醫療器械等。[3]
  7. 鎂是可以在空氣中燃燒的,燃燒時火花四射,十分美麗,因此煙花中通常都摻有一定量的鎂粉,來達到美觀的效果。
  8. 現代戰爭需要軍隊具有遠程快速部署運動的能力,要求武器裝備輕量化,在手持式武器、裝甲戰車、運輸車、航空制導武器上將大量採用輕金屬材料。輕量化是提高武器裝備作戰性能的重要方向。鎂所具有的輕質特性決定了鎂合金是生產航天器、軍用飛機、導彈、高機動性能戰車、船舶的必不可少的結構材料,因此,大力開發鎂合金應用範圍是國防現代化的需要。

工業發展

  • 20世紀50年代以前,鎂的發展依附於軍事工業,20世紀60年代以後,由於金屬鎂在民用市場和空間技術的應用得到發展,於是推動了鎂的平衡增長。近幾年來隨着鎂合金在交通、電子及通信等領域應用的增長,世界鎂的消費在逐年上升並增長迅速。全世界(除中國外)有10個國家即美國、加拿大、挪威、俄羅斯、法國、意大利、前南斯拉夫、巴西、印度、朝鮮生產金屬鎂。2004年,世界金屬鎂開採量為58.4萬噸, 其中,中國42.6萬噸,加拿大5.4萬噸,俄羅斯5萬噸,以色列2.8萬噸,哈薩克斯坦1.8萬噸。
  • 20世紀90年代以來,市場經濟拉動了中國鎂工業的發展。在90年代的10年間,中國原鎂產量增長了37倍,特別是1995~2000年,年平均增長率為15.84%,大大高於西方世界的增長率。中國已成為世界上最大的原鎂生產國和出口國。
  • 2006年1~12月,全國共產金屬鎂613084.94噸,同比增長32.23%;2007年1~12月,全國共產金屬鎂(鎂)670130.87噸,同比增長24.12%;2008年1~10月,全國共產金屬鎂(鎂)539498.36噸,同比增長6.59%
鎂在二氧化碳燃燒

參考文獻