マグネシウム：歴史、構造、特性、反応、用途 - 化学 - 2025

マグネシウムは、周期表の第2属のアルカリ土類金属です。その原子番号は12で、化学記号Mgで表されます。それは地球の地殻の中で8番目に豊富な元素で、その約2.5％です。

この金属は、その同族体やアルカリ金属と同様に、本来の状態では自然界には見られませんが、他の元素と結合して、岩、海水、塩水に存在する多数の化合物を形成します。

マグネシウムを使った日常品。出典：WikipediaのFiretwister。

マグネシウムは、ドロマイト（炭酸カルシウムおよびマグネシウム）、マグネサイト（炭酸マグネシウム）、カルナライト（マグネシウムおよび塩化カリウム六水和物）、ブルーサイト（水酸化マグネシウム）などの鉱物の一部であり、タルクやケイ酸塩などのケイ酸塩にはかんらん石。

グレートソルトレイク（1.1％）と死海（3.4％）はマグネシウムの濃度が高いですが、その延長によるその最も豊かな自然の源は、0.13％の豊富さを持っている海です。高濃度のブラインがあり、蒸発により濃縮されます。

マグネシウムという名前はおそらく、古代ギリシャのテッサリア地方のマグネシアにあるマグネサイトに由来しています。しかし、マグネタイトとマンガンが同じ地域で発見されたことが指摘されています。

マグネシウムは、645°Cを超える温度で酸素と強く反応します。一方、マグネシウム粉末は乾燥した空気中で燃焼し、強い白色光を発します。このため、写真の光源として使用されていました。現在、このプロパティはまだ火工品で使用されています。

それは生き物にとって不可欠な要素です。いくつかの解糖酵素を含む300以上の酵素の補因子であることが知られています。これは、主要な細胞エネルギー源であるATPの生産との関係のため、生物にとって重要なプロセスです。

同様に、それはクロロフィルに存在するヘモグロビンのヘムグループに類似した複合体の一部です。光合成の実現に関わる色素です。

歴史

認識

スコットランドの化学者であるジョセフブラックは、1755年にそれを元素として認識し、実験的に、それを彼らが混乱させた金属であるカルシウムとは異なることを示しました。

これに関して、ブラックは書いている：「マグネシアアルバ（炭酸マグネシウム）は特異な地球と固定された空気の複合物であることが実験ですでにわかっている。」

隔離

1808年、ハンプレイデービー卿は、電気分解を使用してマグネシウムと水銀のアマルガムを生成することに成功しました。これは、湿った硫酸塩を陰極として水銀を使用して電気分解することによって行われました。その後、加熱によりマルガムから水銀を蒸発させ、マグネシウムの残留物を残しました。

A.フランスの科学者であるビュッシーは、1833年に最初の金属マグネシウムを製造することに成功しました。これを行うために、ビュッシーは金属カリウムによる溶融塩化マグネシウムの還元を生み出しました。

1833年、イギリスの科学者マイケルファラデーは、この金属を分離するために初めて塩化マグネシウムの電気分解を使用しました。

製造

1886年に、ドイツの会社であるアルミニウムとマグネシウムファブリクヘメリンゲンは、溶融カーナライト（MgCl ₂・KCl・6H ₂ O）の電気分解を使用してマグネシウムを製造しました。

ヘメリンゲンは、ファーブ工業団地（IGファルベン）と協力して、マグネシウムと塩素の製造のための電気分解用の大量の溶融塩化マグネシウムを製造する技術の開発に成功しました。

第二次世界大戦中、ダウケミカルカンパニー（米国）とマグネシウムエレクトロンLTD（英国）が海水の電解還元を開始しました。マグネシウムの生産のためにテキサス州ガルベストン湾と北海のイングランドのハートルプールにポンプで送られました。

同時に、オンタリオ（カナダ）は、LMピジョンプロセスに基づいてそれを製造する技術を作成します。この技術は、外部燃焼レトルト内でケイ酸による酸化マグネシウムの熱還元で構成されています。

マグネシウムの構造と電子配置

マグネシウムはコンパクトな六角形構造で結晶化し、その各原子は12個の隣接原子に囲まれています。これにより、リチウムやナトリウムなどの他の金属よりも密度が高くなります。

その電子配置は3s ²で、2つの価電子と10の内殻があります。ナトリウムに比べて余分な電子を持つことにより、その金属結合が強くなります。

これは、原子が小さく、その核にもう1つの陽子があるためです。したがって、それらは隣接する原子の電子により大きな引力効果を及ぼし、それらの間の距離を縮めます。また、電子が2つあるため、3sのバンドが一杯になり、原子核の引力をさらに感じることができます。

次に、Mg原子は、強い金属結合を持つ密な六角形の結晶を形成することになります。これは、ナトリウム（98℃）よりもはるかに高い融点（650℃）を説明します。

すべての原子とその12の隣接要素のすべての3s軌道は、結晶内ですべての方向に重なり、他の2つが来ると2つの電子が離れます。というように、Mg ²⁺カチオンが発生することができません。

酸化数

マグネシウムは、化合物を形成するときに2つの電子を失い、希ガスネオンと等電子であるMg ²⁺カチオンとして残ります。任意の化合物での存在を考慮すると、マグネシウムの酸化数は+2です。

一方、あまり一般的ではありませんが、Mg ⁺カチオンを形成できます。これは、2つの電子のうち1つだけを失い、ナトリウムと等電子です。化合物での存在が想定されている場合、マグネシウムの酸化数は+1と言われます。

プロパティ

外見

湿った空気と酸化または反応する前の、純粋な状態の鮮やかな白い固体。

原子質量

24.304 g / mol。

融点

650°C

沸点

1,091°C

密度

室温で1.738 g / cm ³。Y 溶融温度で1.584 g / cm ³ ; つまり、大部分の化合物や物質の場合と同様に、液相は固体よりも密度が低くなります。

融合熱

848 kJ / mol。

気化熱

128 kJ / mol。

モルカロリー容量

24.869 J /（mol・K）。

蒸気圧

701 K：1 Pa; つまり、その蒸気圧は非常に低いです。

電気陰性

ポーリングスケールで1.31。

イオン化エネルギー

イオン化の第1レベル：1,737.2 kJ / mol（Mg ⁺ガス）

イオン化の第2レベル：1,450.7 kJ / mol（Mg ²⁺ガス、より少ないエネルギーで済みます）

イオン化の第3レベル：7,732.7 kJ / mol（Mg ³⁺ガス、大量のエネルギーが必要）。

原子ラジオ

160 pm。

共有結合半径

141±17 pm

原子量

13.97 cm ³ / mol。

熱膨張

25°Cで24.8 µm / m・K

熱伝導率

156 W / m K.

電気抵抗率

20°Cで43.9nΩ・m

電気伝導率

22.4×10 ⁶ S cm ³。

硬度

Mohsスケールで2.5。

命名法

金属マグネシウムには他に起因する名前はありません。その化合物は、大部分が+2の酸化数を持っていると考えられるため、括弧内にその数を表す必要なしに、在庫の命名法を使用して言及されています。

たとえば、MgOは酸化マグネシウムであり、酸化マグネシウム（II）ではありません。体系的な命名法によると、以前の化合物は一酸化マグネシウムであり、一酸化一マグネシウムではありません。

従来の命名法の側では、同じことが株式の命名法でも起こります。化合物の名前は同じように終わります。つまり、接尾辞–icoを付けます。したがって、この命名法によれば、MgOは酸化マグネシウムです。

それ以外の場合、他の化合物は一般的または鉱物学的な名称を持っている場合と持たない場合があり、またはそれらの命名法が分子構造とアルキル（R）またはアリール（Ar）置換基に依存する有機分子（有機マグネシウム化合物）で構成されている場合があります。

有機マグネシウム化合物に関しては、それらのほとんどすべてが一般式RMgXのグリニャール試薬です。例えば、BrMgCH ₃は臭化メチルマグネシウムです。用語は最初の接触ではそれほど複雑に見えないことに注意してください。

形

合金

マグネシウムは軽金属であるため合金で使用され、主にアルミニウムとの合金で使用され、この金属の機械的特性を向上させます。また、鉄との合金にも使用されています。

ただし、合金は高温で腐食する傾向があるため、その使用は減少しています。

ミネラルと化合物

その反応性のため、それは地球の地殻にその本来の形または元素の形で見られません。むしろ、それは多数の化学化合物の一部であり、それらは順番に約60の既知の鉱物に含まれています。

マグネシウムの最も一般的なミネラルには、次のものがあります。

-ドロマイト、カルシウムとマグネシウムの炭酸塩、MgCO ₃ CaCO ₃

-マグネサイト、炭酸マグネシウム、CaCO ₃

-ブルーサイト、水酸化マグネシウム、Mg（OH）₂

-carnalite、マグネシウム、塩化カリウム、塩化マグネシウム₂・塩化カリウム・H ₂ O.

また、次のような他のミネラルの形にすることもできます。

-キーセライト、硫酸マグネシウム、MgSO ₄ H ₂ O

-フォルステライト、ケイ酸マグネシウム、MgSiO ₄

-クリソチルまたはアスベスト、別のケイ酸マグネシウム、Mg ₃ Si ₂ O ₅（OH）₄

-タルク、Mg ₃ Si ₁₄ O ₁₁₀（OH）₂。

同位体

マグネシウムは、三の天然の同位体の組み合わせのような天然に見出される²⁴ 79％豊富で、マグネシウム。²⁵ mg、11％の存在量; そして、²⁶ 10％の存在量とのMg、。さらに、19の人工放射性同位元素があります。

生物学的役割

解糖

マグネシウムはすべての生物にとって不可欠な要素です。人間のマグネシウム摂取量は1日300〜400 mgです。成体の場合、その体の含有量は22〜26 gで、主に骨の骨格に集中しています（60％）。

解糖は、グルコースがピルビン酸に変換される一連の反応であり、2つのATP分子が正味生成されます。ピルビン酸キナーゼ、ヘキソキナーゼ、およびホスホフルクトキナーゼは、Mgを活性化因子として使用する解糖系の酵素です。

DNA

DNAは、構造内に負に帯電したリン酸基を持つ2つのヌクレオチド鎖で構成されています。したがって、DNA鎖は静電反発力を受けます。Na ⁺、K ⁺およびMg ²⁺イオンは負の電荷を中和し、鎖の解離を防ぎます。

ATP

ATP分子には、負に帯電した酸素原子を持つリン酸基があります。電気的反発が隣接する酸素原子間で発生し、ATP分子を切断する可能性があります。

マグネシウムが隣接する酸素原子と相互作用してキレートを形成するため、これは起こりません。ATP-Mgは、ATPの活性型であると言われています。

光合成

マグネシウムは、植物によるエネルギー使用の中心的なプロセスである光合成に不可欠です。それは、内部にヘモグロビンのヘムグループに似た構造を持つクロロフィルの一部です。しかし、鉄原子の代わりにマグネシウム原子が中心にあります。

クロロフィルは光エネルギーを吸収し、それを光合成で使用して、二酸化炭素と水をグルコースと酸素に変換します。ブドウ糖と酸素は後にエネルギー生産に使用されます。

生命体

血漿マグネシウム濃度の低下は筋肉のけいれんに関連しています。高血圧などの心血管疾患; 糖尿病、骨粗しょう症および他の病気。

マグネシウムイオンは、神経細胞のカルシウムチャネルの機能の調節に関与しています。高濃度では、カルシウムチャネルを遮断します。逆に、カルシウムの減少は、カルシウムが細胞に入ることを可能にすることによって神経の活性化を生み出します。

これは、主要な血管の壁の筋細胞のけいれんと収縮を説明します。

どこで見つけて生産するか

マグネシウムは元素状態では自然界には見られませんが、海、岩、塩水にある約60の鉱物と多数の化合物の一部です。

海のマグネシウム濃度は0.13％です。そのサイズのため、海は世界の主要なマグネシウム貯留層です。他のマグネシウム貯留層は、1.1％のマグネシウム濃度のグレートソルトレーク（米国）と3.4％の濃度の死海です。

マグネシウム鉱物、ドロマイトとマグネサイトは、伝統的な採掘方法を使用して鉱脈から抽出されます。一方、カーナライトでは、他の塩を表面まで上昇させ、カーナライトをバックグラウンドに維持する溶液が使用されます。

マグネシウムを含むブラインは、太陽熱を利用して池に集中します。

マグネシウムは、電気分解と熱還元（ピジョンプロセス）の2つの方法で得られます。

電解

電解プロセスでは、無水塩化マグネシウム、部分的に脱水された無水塩化マグネシウム、または無機無水カルナライトのいずれかを含む溶融塩が使用されます。いくつかの状況では、天然のカーナライトの汚染を避けるために、人工のものを使用します。

塩化マグネシウムは、ダウ社が設計した手順に従っても入手できます。水はフロキュレーターで、わずかにか焼された鉱物ドロマイトと混合されます。

混合物中に存在する塩化マグネシウムは、次の反応に従って、水酸化カルシウムの添加によってMg（OH）_2に変換されます。

MgCl ₂ + Ca（OH）₂ →Mg（OH）₂ + CaCl ₂

概説された化学反応に従って、沈殿した水酸化マグネシウムを塩酸で処理し、塩化マグネシウムと水を生成します。

Mg（OH）₂ + 2 HCl→MgCl ₂ + 2 H ₂ O

次に、塩化マグネシウムは、25％の水和に達するまで脱水プロセスにかけられ、製錬プロセス中に脱水が完了する。電気分解は、680〜750℃の範囲の温度で行われます。

MgCl ₂ →Mg + Cl ₂

二原子塩素が陽極で生成され、溶融マグネシウムが塩の上部に浮かび、そこで回収されます。

熱還元

蒸気から析出したマグネシウム結晶。出典：Warut Roonguthaiピジョンプロセスでは、粉砕および焼成されたドロマイトが、細かく粉砕されたフェロシリコンと混合され、円筒形のニッケル-クロム-鉄のレトルトに入れられます。レトルトはオーブンの内部に配置され、オーブンの外部にあるコンデンサーと直列になっています。

反応は1200°Cの温度と13 Paの低圧で起こります。マグネシウムの結晶はコンデンサーから取り除かれます。生成されたスラグは、レトルトの底から収集されます。

2 CaO + 2 MgO + Si→2 Mg（ガス状）+ Ca ₂ SiO ₄（スラグ）

カルシウムとマグネシウムの酸化物は、ドロマイトに存在する炭酸カルシウムとマグネシウムの炭酸塩のか焼によって生成されます。

反応

マグネシウムは酸、特にシュウ酸と激しく反応します。硝酸との反応により、硝酸マグネシウム、Mg（NO ₃）_{2が生成され}ます。同様に、塩酸と反応して塩化マグネシウムと水素ガスを生成します。

マグネシウムは、水酸化ナトリウムなどのアルカリとは反応しません。室温では、水に不溶の酸化マグネシウムの層で覆われているため、腐食から保護されます。

それは、塩素、酸素、窒素および硫黄とともに、他の元素の中で化学化合物を形成します。高温で酸素との反応性が高いです。

用途

-元素マグネシウム

合金

マグネシウム合金は飛行機や自動車で使用されています。後者は、汚染ガス排出の制御のための要件として、自動車の重量の削減を持っています。

マグネシウムの用途は、軽量、高強度、そして合金の製造の容易さに基づいています。アプリケーションには、ハンドツール、スポーツ用品、カメラ、家電製品、ラゲッジフレーム、自動車部品、航空宇宙産業向けのアイテムが含まれます。

マグネシウム合金は、飛行機、ロケット、宇宙衛星の製造や、高速で制御された彫刻を作成するためのフォトエッチングにも使用されます。

冶金

白鉄を鋳造するために少量のマグネシウムが追加され、強度と展性が向上します。さらに、石灰と混合されたマグネシウムが液体高炉鉄に注入され、鋼の機械的特性を改善します。

マグネシウムはチタン、ウラン、ハフニウムの生産に関与しています。四塩化チタンの還元剤として、クロールプロセスでチタンを生成します。

電気化学

マグネシウムは乾電池で使用され、アノードとして機能し、塩化銀はカソードとして機能します。マグネシウムは、水の存在下で鋼と電気的に接触すると、犠牲的に腐食し、鋼をそのまま残します。

このタイプの鋼鉄保護は、船、貯蔵タンク、給湯器、橋梁構造などに存在します。

火工品

粉末または帯状のマグネシウムが燃え、非常に強い白色光を発します。この特性は、火花やフレアによる照明を設定するために軍事火工品で使用されています。

その細かく分割された固体は、特に固体ロケット推進剤の燃料成分として使用されてきました。

-化合物

炭酸マグネシウム

ボイラーやパイプの断熱材として使用されています。吸湿性があり、水に溶けやすいので、食塩入れで塩が固まり、調味料が流れにくくなります。

水酸化マグネシウム

難燃剤としての用途があります。水に溶かして、よく知られているマグネシアのミルク、制酸剤や下剤として使用されている白っぽい懸濁液を形成します。

塩化マグネシウム

それは、高強度床セメントの製造だけでなく、繊維製品の製造における添加剤にも使用されます。また豆腐の豆乳の凝集剤としても使用されています。

酸化マグネシウム

耐火レンガの製造に使用され、高温に耐え、断熱材および電気絶縁材として使用されます。下剤や制酸剤としても使用されます。

硫酸マグネシウム

セメントや肥料の製造、なめし、染色に工業的に使用されています。乾燥剤でもあります。下剤にはエプソム塩MgSO ₄・7H ₂ Oを使用しています。

-ミネラル

タルカムパウダー

モーススケールで最も硬度の低い基準（1）と見なされます。紙や段ボールの製造におけるフィラーとして、また皮膚の刺激や水分補給を防ぐ働きがあります。耐熱素材の製造や化粧品に使用される多くのパウダーのベースとして使用されています。

クリソタイルまたはアスベスト

断熱材として、また建設業界で天井の製造に使用されています。現在、肺がん繊維のため使用されていません。

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