مغنيسيوم

مغنيسيوم
المغنيسيوم هو عنصر كيميائي رمزه Mg وعدده الذرّي 12، وهو ينتمي إلى الفلزّات القلوية الترابية، التي تقع في المجموعة الثانية للجدول الدوري للعناصر. يوجد هذا العنصر في الشروط القياسية على شكل صلب رمادي برّاق. يأتي المغنيسيوم من حيث الوفرة الطبيعية للعناصر في الكون في المرتبة الثامنة؛ حيث ينتج هذا العنصر في النجوم بعمرها المتأخّر من تفاعل اندماج لنوى الهيليوم في نوى الكربون؛ وعند انفجار تلك النجوم على هيئة مُسْتَعِرَاتٍ عُظْمَيَات، يُطرَح معظم المغنيسيوم إلى الوسط بين النجمي، حيث يعاد تدويره إلى أنظمة نجوم وليدة جديدة. كما يأتي العنصر أيضاً في المرتبة الثامنة من حيث الوفرة في القشرة الأرضية؛ في حين أنّه يأتي في المرتبة الرابعة من حيث وفرة العناصر في تركيب الأرض الكيميائي (بعد الحديد والأكسجين والسيليكون)، مشكّلاً حوالي 14% من كتلة الأرض، وخاصّةً في تركيب الوشاح. يأتي المغنيسيوم في المرتبة الثالثة بعد الصوديوم والكلور من حيث العناصر المنحلّة في ماء البحر.
يتميّز هذا الفلزّ بنشاطه الكيميائي، لذلك لا يوجد بشكله الحرّ في الطبيعة، إنّما على شكل مركّبات كيميائية مع عناصر أخرى، وغالباً بحالة الأكسدة +2. يُستحصَل على الشكل العنصري الحرّ بإجراء عملية تحليل كهربائي لأملاح المغنيسيوم المنحلّة في الأجاج؛ وهو يُستخدَم في العديد من التطبيقات، منها دخوله في تركيب السبائك، مثل سبيكة مغناليوم مع عنصر الألومنيوم، والتي تتميّز بمتانتها مع خفّتها. للمغنيسيوم أهمّية حيوية كبيرة، فهو يأتي في المرتبة الحادية عشرة من حيث وفرة العناصر الكيميائية في جسم الإنسان؛ وهو من العناصر المعدنية الضرورية؛ وخاصّةً بالنسبة للإنزيمات. تستخدم مركّبات المغنيسيوم في تركيب الأدوية، مثل المليّنات ومضادات الحموضة، وكذلك في علاج حالات الإرجاج.
التاريخ وأصل التسمية
يُشتَقّ اسم مغنيسيوم من الكلمة الإغريقية «»، والتي قد تشير إمّا إلى منطقة في اليونان القديمة تدعى مغنيسيا، والتي تقع حالياً في إقليم ثيساليا؛ أو إلى مدنٍ مندثرةٍ حملت نفس الاسم مثل مغنيسيا (على جبل سيبيلوس) أو مغنيسيا (على نهر مندريس) والواقعة حالياً في تركيا؛ وتلك المناطق سكنتها قبيلة اليونانية القديمة. هناك صلة وصل بين تسمية المغنيسيوم وبين تسمية معدن المغنيتيت (حجر المغناطيس) وبين تلك التي تعود إلى عنصر المنغنيز.
عُرفَت مركّبات المغنيسيوم منذ مئات السنين وذلك قبل الحصول على الفلزّ بشكله النقيّ، منها التَلْك (سيليكات المغنيسيوم المميّهة)؛ ومنها كبريتات المغنيسيوم، الذي يعرف بالاسم الشائع «». يُعدّ الفيزيائي والكيميائي الإسكتلندي جوزيف بلاك أوّل من عمل على مركّبات المغنيسيوم بشكل علمي وذلك في القرن الثامن عشر. اكتشف جوزيف بلاك سنة 1755 الفرق بين الحجر الكلسي (كربونات الكالسيوم) وبين كربونات المغنيسيوم في إحدى أعماله المنشورة ، حيث كان يكثر الخلط بينهما كثيراً في تلك الأيام. أمّا الفلزّ فاستَحصَل عليه الكيميائي همفري ديفي أوّل مرّة سنة 1808 وذلك بأسلوب التحليل الكهربائي لمزيج من أكسيد المغنيسيوم (مغنيسيا) مع أكسيد الزئبق الثنائي؛ لكنّه لم يكن نقيّاً، إنّما حصل عليه على شكل ملغمة (خليطة مع الزئبق)، لأنّه استخدم مهبطاً من الزئبق. أظهر ديفي بهذه العملية أنّ المغنيسيا أكسيد لفلزٍّ جديدٍ، أسماه «» ، وتحوّلت التسمية فيما بعد إلى «مغنيسيوم». في سنة 1831 نجح الكيميائي الفرنسي أنطوان بوسي من الحصول على المغنيسيوم النقيّ بأسلوب مخبري ولكن بكمّيّات قليلة، وذلك من خلال تسخين كلوريد المغنيسيوم بوجود الكالسيوم للاختزال.
بدأ العمل على تطوير عمليّات صناعية للحصول على المغنيسيوم بواسطة مايكل فاراداي ، فهو أوّل من تمكّن من الحصول على المغنيسيوم من خلال التحليل الكهربائي لمصهور كلوريد المغنيسيوم وذلك سنة 1833؛ ثمّ تمكّن روبرت بنزن لاحقاً من إنتاج كمّيّات أكبر بنفس الأسلوب باستخدام خلية بنزن. تمكّن هنري إتيان سانت كلير ديفيل سنة 1857 بمساعدة من كارون من تطوير عملية صناعية لإنتاج المغنيسيوم، وذلك بإجراء اختزال لمزيج من كلوريد المغنيسيوم وفلوريد الكالسيوم باستخدام الصوديوم. إلّا أنّ تلك العمليّات لم تكن ذات جدوى اقتصادية كبيرة.
بما أنّ سبائك المغنيسيوم تتميّز بانخفاض كثافتها، فقد وجدت لها تطبيقاتٍ في مجال بناء العَرَبات، ومن أوائل التطبيقات المستخدمة لذلك الغرض كان بناء هيكل مناطيد زبلين قبل الحرب العالمية الأولى؛ كما شاع استخدامها في بناء هياكل الطائرات في ثلاثينيّات القرن العشرين. أمّا في الحرب العالمية الثانية فقد استُخدمَت خاصّية الاشتعالية المرتفعة للمغنيسيوم في تصميم الأسلحة الحارقة التي كانت تلقى على المدن أثناء المعارك والقصف الجوي.
الوفرة الطبيعية
يوجد المغنيسيوم بوفرة جيّدة نسبياً في القشرة الأرضية، فهو يأتي في المرتبة الثامنة من حيث ترتيب وفرة العناصر الكيميائية فيها. فيمكن أن يُعثَر على المغنيسيوم في معادن مختلفة يصل عددها إلى 60 معدناً، وذلك غالباً على شكل معادن الكربونات أو السيليكات أو الكبريتات. أشهر تلك المعادن وأكثرها أهمّيّة من الناحية الاقتصادية كلُّ من المغنيسيت ، والدولوميت ، والبروسيت ، والكارناليت ، والتَلْك ، والأوليفين . من معادن المغنيسيوم الأخرى أيضاً كلّ من الإنستاتيت ، والكيزريت ، والسبيوليت والبيكروميريت ؛ بالإضافة إلى معدن الإسبينيل .
تنتشر معادن المغنيسيوم في صخور السربنتين وكذلك في صخر البونينيت . يوجد الأيون 2+Mg بوفرة في تركيب ماء البحر، وتبلغ نسبته حوالي 1.3 غ/كغ، فهو بذلك الثاني من حيث ترتيب الأيونات الموجبة (الكاتيونات) بعد الصوديوم؛ ممّا يجعل استحصاله من ماء البحر مجدٍ اقتصادياً.
الإنتاج
يمكن الحصول على فلزّ المغنيسيوم النقيّ صناعياً وفق طريقتين، وذلك إمّا وفق «عملية داو» ، التي تعتمد على مبدأ التحليل الكهربائي لمصهور كلوريد المغنيسيوم؛ أو وفق «عملية بيدجن» ، التي تعتمد على الاختزال الحراري لمركّب أكسيد المغنيسيوم.
بلغ الإنتاج العالمي من فلزّ المغنيسيوم سنة 2017 حوالي 1,100 كيلوطن؛ وأكثر من 80% من الإنتاج العالمي من المغنيسيوم هو في الصين (930 كيلوطن)؛ في حين أنّ روسيا أنتَجت حوالي 60 كيلوطن. تعتمد الصين على عملية بيدجن في إنتاج المغنيسيوم؛ في حين تعتمد الولايات المتحدة على عملية داو في إنتاجها لهذا الفلزّ.
عملية داو
تتضمّن عملية داو الحصول على المغنيسيوم من إجراء تحليل كهربائي لمصهور كلوريد المغنيسيوم المستحصَل من الأجاج وماء البحر. يُعالَج المحلول الملحي الحاوي على أيونات المغنيسيوم 2+Mg بالجير الحي (أكسيد الكالسيوم) ثم يُجمَع هيدروكسيد المغنيسيوم المترسّب:
يُحوَّل الهيدروكسيد فيما بعد إلى هيدرات جزئية من كلوريد المغنيسيوم بالمعالجة مع حمض الهيدروكلوريك ثم بالتسخين اللاحق:
تُجرى بعدئذٍ عملية تحليل كهربائي لمصهور كلوريد المغنيسيوم في خلايا داونز، حيث تُختزَل أيونات المغنيسيوم على المهبط، في حين ينطلق غاز الكلور على المصعد:
عملية بيدجن
تتضمّن عملية بيدجن الحصول على المغنيسيوم من إجراء اختزال حراري لأكسيد المغنيسيوم (المغنيسيا) عند درجات حرارة مرتفعة باستخدام السيليكون المستحصَل من خامات السيليكون الحديدي (فرّوسيليكون) عاملاً للاختزال عند حوالي 1160 °س:
أو باستخدام الكربون (الفحم) عند حوالي 2300 °س:
يُكثَّف بخار المغنيسيوم المستحصَل من العملية، ثم يُنقّى بإجراء تقطير بالتفريغ، في حين أنّ أحادي أكسيد الكربون يتأكسد إلى ثنائي أكسيد الكربون. يتضمّن إنتاج 1 كغ من المغنيسيوم إطلاق حوالي 30 كغ من CO2 إلى الغلاف الجوّي.
طرق حديثة
هناك عملية حديثة نسبياً لإنتاج المغنيسيوم تعتمد على استخدام تقانة غشاء الأكسيد الصلب أثناء اختزال أكسيد المغنيسيوم بوجود مادة سيراميكية مكوّنة من أكسيد الزركونيوم (الزركونيا) المثَبَّت بأكسيد الإتريوم (الإتريا) يتشكّل غاز الأكسجين على المصعد في هذه العملية، لذلك فهي صديقة للبيئة؛ كما أنّها أقلّ تكلفةً بحوالي 40% من عملية الاختزال الحراري.
النظائر
للمغنيسيوم ثلاثة نظائر مستقرّة في الطبيعة وهي مغنيسيوم-24 24Mg ومغنيسيوم-25
25Mg ومغنيسيوم-26 26Mg. يعدّ مغنيسيوم-24 النظير الأكثر وفرة طبيعية من بين هذه النظائر المستقرّة، حيث يشكّل حوالي 79% من المغنيسيوم في الطبيعة، في حين أنّ النظيرين الباقيين 25Mg و26Mg لهما نسبة وفرة متقاربة (10% و 11% على الترتيب).
هنالك تسعة عشر نظيراً مشعّاً للمغنيسيوم تتراوح أعداد الكتلة لها بين 19 و 40. أطول هذه النظائر المشعّة عمراً هو النظير 28Mg الذي له عمر نصف مقداره 20.915 ساعة، في حين أنّ أقصر هذه النظائر عمراً هو النظير 39Mg الذي عمر النصف له أقلّ من 180 نانو ثانية. أُنِتجَ النظير مغنيسيوم-28 28Mg في عدّة محطّات طاقة نووية بين خمسينيّات إلى سبعينيّات القرن العشرين من أجل استخدامه في التجارب العلمية؛ إلّا أنّ قصر عمره نسبياً حال دون شيوع استخدامه. تتضمحلّ النظائر الخفيفة من نظائر المغنيسيوم المشعّة إلى نظائر الصوديوم، في حين أنّ النظائر المشعّة الثقيلة تتضمحلّ إلى نظائر الألومنيوم الموافقة.
للنويدة 26Mg تطبيقات في علم الجيولوجيا وذلك بشكل مقارب لتطبيقات الألومنيوم. إذ أن 26Mg هي نويدة ذات أصل إشعاعي ناتجة عن النويدة 26Al، والتي يبلغ عمر النصف لها مقدار 717 ألف سنة. عُثِرَ على كمّيّات وفيرة من النويدة المستقرّة 26Mg في تضمينات غنيّة بالكالسيوم والألومنيوم والموجودة في بعض الأحجار النيزكية الكربونية؛ وذلك يعود إلى اضمحلال النويدة 26Al في التضمينات؛ وذلك أدّى إلى استنتاج أن تلك الأحجار النيزكية كانت قد تشكّلت في السديم الشمسي، وأنّها من أقدم الأجرام في النظام الشمسي، وتُقدِّم بذلك معلومات مهمّة عن تشكّل وتطوّر المجموعة الشمسية.
الخواص الفيزيائية
يوجد عنصر المغنيسيوم في الشروط القياسية على شكل فلزّ لامع ذي لون يتراوح بين الأبيض إلى الرمادي، وهو فلز خفيف الوزن له ثلثا كثافة جاره الألومنيوم. للمغنيسيوم أخفض نقطة انصهار (650 °س) ونقطة غليان (1091 °س) بين عناصر الفلزّات القلوية الترابية. إنّ بلّورات المغنيسيوم النقيّ هشّة، ومن السهل أن تتصدّع؛ وتبلغ قيمة معامل المرونة الطولي له حوالي 45 غيغاباسكال. يصبح المغنيسيوم أكثر فدرةً على السحب عندما يُسبَك مع كمّيّات صغيرة من فلزّات أخرى، مثل الألومنيوم؛ كما يمكن أن تزداد القدرة على سحبه أيضاً عندما يكون قياس الحبيبات صغيراً من أبعاد حوالي 1 ميكرومتر (ميكرون) أو أقلّ.
السبائك
يشكّل المغنيسيوم العديد من السبائك مع عددٍ معتبرٍ من الفلزّات؛ منها مع الألومنيوم Mg-Al، والمنغنيز Mg-Mn، والسيليكون Mg-Si، والزنك Mg-Zn؛ بالإضافة إلى سبيكة إلكترون، وهي علامة تجارية لعدد من السبائك التي تتكوّن من 90% مغنيسيوم بالإضافة إلى حوالي 9.5% ألومنيوم، مع وجود كمّيّات ضئيلة من عدّة عناصر أخرى مثل الزنك أو القصدير أو الإتريوم أو النيوديميوم أو الغادولينيوم أو الزركونيوم؛ بالإضافة إلى كمّيّات نزرة من عناصر أرضية نادرة.
إنّ أكثر ما يميّز سبائك المغنيسيوم تلك هو خفّة وزنها، فعلى سبيل المقارنة تبلغ كثافة المغنيسيوم 1.74 غ/سم3 في حين أنّها تبلغ مقدار 2.75 غ/سم3 للألومنيوم. وما يميّزها أنّ مجال درجة انصهارها يقع بين 430 و630 °س، ممّا يجعل من عملية سبكها موفّرةً نسبياً للطاقة؛ لكنّها أقلّ مقاومةً للشدّ وأقلّ صلادة بالمقارنة مع سبائك الألومنيوم. تُستخدَم سبائك المغنيسيوم في بناء هياكل العربات، كما تُستخدَم أيضاً في صبّ هيكل محرّكات السيارات، كما هو الحال في سيارة ألفا روميو 156 وفي بعض محرّكات سيارات شركة BMW على سبيل المثال.
بلغ الاستهلاك العالمي من سبائك المغنيسيوم سنة 2013 أقلّ من حوالي مليون طن، بالمقارنة مع 50 مليون طن من سبائك الألومنيوم. من العيوب التي تحدّ من انتشار سبائك المغنيسيوم هو ميلها للتآكل، وكذلك وجود خاصة الزحف، بالإضافة إلى قابليتها للاشتعال. يؤدّي وجود كمّيّات من فلزّات الحديد أو النيكل أو النحاس أو الكوبالت إلى تحفيز وتنشيط التآكل؛ حيث تعمل تلك الفلزّات على تشكيل مركّبات بين فلزية مترسّبة، ممّا يؤدّي إلى تنشيط مواقع مهبطية في بنية السبيكة، والتي تقوم باختزال الماء، ممّا يؤدّي إلى فقدان المغنيسيوم. ويمكن التغلّب على ذلك بإضافة كمّيّات مضبوطة من المنغنيز، أو من الزرنيخ.
الخواص الكيميائية
عند تعرّض فلز المغنيسيوم النقي للهواء فإنّه يفقد لمعانه، وذلك بسبب تشكّل طبقة من الأكسيد، والتي يصعب إزالتها، ولكنّها لا تغطّي كامل الفلز، مثلما يحدث مع الألومنيوم، لأنّ لأكسيد المغنيسيوم (MgO) حجم مولي أقلّ من فلزّ المغنيسيوم نفسه؛ (10.96 سم3/مول للأكسيد مقابل 13.96 سم3/مول للفلز). يتميّز المغنيسيوم بأنّه قابل للاشتعال بسهولة، خاصّةً عندما يكون على شكل مسحوق أو على شكل صفائح رقيقة؛ في حين أنّ الكتل الضخمة منه يصعب اشتعالها. يحترق هذا الفلزّ بلهبٍ أبيض، ويمكن أن تصل درجة حرارة لهب المغنيسيوم المشتعل أو سبائكه إلى 3100 °س. يتشكّل لدى احتراق المغنيسيوم مركّب أكسيد المغنيسيوم MgO والبعض من نتريد المغنيسيوم Mg3N2.
يتفاعل المغنيسيوم النقيّ بعنفٍ مع الماء وينطلق غاز الهيدروجين جرّاء ذلك التفاعل:
ما يقللّ من الخطورة هو تشكّل هيدروكسيد المغنيسيوم صعب الانحلال في الماء، ممّا يؤدّي إلى تخميل شدّة هذا التفاعل. كما تستطيع الأحماض المعدنية الممدّدة أن تذيب طبقة الأكسيد وأن تتفاعل بشكل ناشر للحرارة مع المغنيسيوم، لتعطي مثلاً مع حمض الهيدروكلوريك ملح الكلوريد الموافق بالإضافة إلى غاز الهيدروجين. من جهةٍ أخرى، لا يتفاعل المغنيسيوم مع حمض الهيدروفلوريك، وذلك على العكس من الألومنيوم، ويعود السبب إلى ضعف انحلالية فلوريد المغنيسيوم المتشكّل؛ كما لا يتفاعل المغنيسيوم مع القواعد الكيميائية.
يتفاعل المغنيسيوم مع ثنائي أكسيد الكربون بشكلٍ طاردٍ للحرارة مع تشكّل الكربون وأكسيد المغنيسيوم:
المركّبات الكيميائية
يشكّل المغنيسيوم العديد من المركّبات الكيميائية، وذلك بشكلٍ شبه سائدٍ في حالة الأكسدة +2؛ وذلك سواءً في مركّباته اللاعضوية أو العضوية.
المركبات اللاعضوية
الأكاسيد والهيدروكسيد
يعدّ أكسيد المغنيسيوم (المغنيسا) MgO من مركّبات المغنيسيوم وفيرة الانتشار والاستخدام، وهو يوجد في الطبيعة على شكل معدن بيريكلاس؛ ويوجد في شكله النقيّ على هيئة بلّورات عديمة اللون ذات بنية شبيهة ببنية كلوريد الصوديوم. أمّا هيدروكسيد المغنيسيوم Mg(OH)2 فهو ملح قاعدي عديم اللون، ويوجد في الطبيعة على شكل معدن البروسيت؛ وتتبع بلّوراته النظام البلّوري الثلاثي متساوي الأحرف. في حين أنّ بلّورات بيروكسيد المغنيسيوم MgO2 عديمة اللون أيضاً، إلّا أنّ لها بنية البيريت، ويشبه المركّب في خواصه الكيميائية مركّب بيروكسيد الكالسيوم.
الهاليدات
يشكّل المغنيسيوم مركّبات الهاليد النمطية؛ فمركّب كلوريد المغنيسيوم MgCl2 قابل للاسترطاب بسهولة، ويوجد في الطبيعة على هيئة معدن البيشوفيت، وكذلك مع البوتاسيوم في الملح المزدوج كارناليت (KMgCl3•6H2O)، بالإضافة إلى وجوده على شكل منحلّ في ماء البحر والبحيرات المالحة. يوجد مركّب فلوريد المغنيسيوم MgF2 على هيئة بلّورات عديمة اللون ذات نظام بلوري رباعي بنمط بنية الروتيل؛ أمّا بروميد المغنيسيوم MgBr2 ويوديد المغنيسيوم فهي أملاح ذات قابلية استرطاب مرتفعة، وتتبع بنيتها النظام البلّوري الثلاثي متساوي الأحرف.
أملاح لاعضوية أخرى
من الأملاح اللاعضوية المعروفة للمغنيسيوم كلّ من الكربونات MgCO3 والنترات Mg(NO3)2 والكبريتات MgSO4؛ بالإضافة إلى أملاح فوسفات المغنيسيوم المختلفة. هناك أيضاً مركّبات لاعضوية أخرى كثيرة للمغنيسيوم؛ منها هيدريد المغنيسيوم MgH2 وثنائي بوريد المغنيسيوم MgB2 وكربيد المغنيسيوم Mg2C3 ونتريد المغنيسيوم Mg3N2 وكبريتيد المغنيسيوم MgS وسيليسيد المغنيسيوم Mg2Si وجرمانيد المغنيسيوم Mg2Ge وتيتانات المغنيسيوم MgTiO3 وكذلك مركب بولونيد المغنيسيوم MgPo.
المركبات العضوية
هناك عددٌ من مركّبات المغنيسيوم العضوية، ولكنّ أشهرها تُعرَف تحت اسم مركّبات غرينيار (أو كواشف غرينيار)، وذلك نسبة إلى مكتشفها فيكتور غرينيار ، ولها الصيغة العامة R−Mg−X، حيث X تمثل أحد الهالوجينات وR تمثل مجموعة كربونية من ألكيل أو أريل. من الأمثلة على هذه المركّبات كلّ من مركّب كلوريد ميثيل المغنيسيوم CH3MgCl و بروميد فينيل المغنيسيوم C6H5MgBr. تُحضّر مركّبات غرينيار من تفاعل هاليدات الألكيل أو الأريل مع خراطة المغنيسيوم؛ وتوجد محاليلها في توازن كيميائي يعرف باسم توازن شلينك . يتصرف كاشف غرينيار في تفاعلاته على هيئة كاشف محب للنواة (نكليوفيل) مهاجماً المجموعات المحبة للإلكترونات (إلكتروفيل)، أو الذرّات ذات الاستقطاب الجزئي الموجب، مثل ذرّة الكربون المرتبطة بذرّة أكثر كهرسلبية في مجموعة الكربونيل على سبيل المثال. بالتالي يمكن بواسطة كواشف غرينيار الحصول على مركّبات عضوية فلزّية جديدة، كما هو الحال مع البزموت:
أو الحصول على مركّبات جديدة عن طريق تفاعل إضافة:
من جهةٍ أخرى، يمكن الحصول على مركّبات مغنيسيوم ثنائية المجموعة العضوية على الشكل R2Mg بعدّة طرق؛ وذلك إمّا:
وفق أسلوب التبادل الفلزّي، مثلما هو الحال في التفاعل التالي للمغنيسيوم مع مركّب زئبق عضوي:
أو وفق تفاعل تبادل بين كاشف غرينيار ومركب ليثيوم عضوي:
أو بإزاحة توازن شلينك باستخدام مركب 4،1-ديوكسان:
أو تفاعل إضافة هيدريد المغنيسيوم إلى ألكين:
كما يستطيع عنصر المغنيسيوم أن يشكّل معقّدات تناسقية مع الرابطة الثنائية C=C في عددٍ من المركّبات باستخدام رباعي هيدرو الفوران من أجل تثبيت المعقّد، مثلما هو الحال مع 3،1-بوتاديين:
أو الأنثراسين حيث يُستحصَل على مركّب أنثراسين المغنيسيوم، والمستخدم على شكل حفّاز من أجل تفاعلات الهدرجة.
الكشف عن المغنيسيوم
يمكن الكشف تحليلياً عن المغنيسيوم باستخدام كاشف كيميائي مثل أصفر الثيازول أو كيناليزارين أو باستخدام كاشف يدعى «مغنيسون II» وهو صباغ آزوي له الاسم الكيميائي: 4-(4-نترو فينيل آزو)-1-نافثول. للكشف عن المغنيسيوم باستخدام كاشف المغنيسون II تُحَلّ المادّة المراد تحليلها في الماء، ثم يُصَيّر الوسط قلوياً. ثم يضاف إلى الوسط بضعة قطرات من الكاشف. عند وجود المغنيسيوم في الوسط يتشكّل لون أزرق داكن؛ إلّا أنّه ينبغي إزالة أيّة فلزّات قلوية ترابية من الوسط قبل إجراء العملية بترسيبها على شكل كربونات، وذلك لمنع التداخل. أمّا في عملية الكشف عن المغنيسيوم باستخدام كاشف أصفر الثيازول، فتُحلّ العيّنة أوّلاً بالماء ثم يُحمَّض الوسط ثم تضاف بضعة قطرات من أصفر الثيازول، ثم يُصيَّر الوسط قلوياً؛ حيث يعطي هذا الكاشف بوجود المغنيسيوم راسباً ذا لون أحمر قانئ. يحدث التداخل في التحليل بواسطة أصفر الثيازول مع أيونات النيكل والزنك والمنغنيز والكوبالت؛ وعادةً ما تزال من الوسط على شكل رواسب من الكبريتيدات الموافقة. أما للكشف عن المغنيسيوم باستخدام كاشف الكيناليزارين فتجرى في محلول للعيّنة في وسط حمضي، ثم تضاف قطرتان من الكاشف، ثم يُصيَّر الوسط قلوياً، وعند وجود المغنيسيوم يتشكّل لون أزرق من معقّد للمغنيسيوم ضعيف الانحلال.
يمكن الكشف عن المغنيسيوم أيضاً باستخدام أسلوب تفاعل الترسيب التقليدي مع أملاح الفوسفات. ينبغي أن يجرى التفاعل بعد إزالة الفلزّات الثقيلة لمنع التداخل ثم تضاف الأمونيا مع ملح كلوريد الأمونيوم، ثم يضاف فوسفات ثنائي الصوديوم مع جعل قيمة حموضة الوسط (pH) تتراوح بين 8 إلى 9؛ وعند وجود أيونات المغنيسيوم يتشكّل راسب أبيض من :
الدور الحيوي
يعدّ المغنيسيوم من العناصر الغذائية المعدنية المهمّة للجسم؛ وهو يوجد على شكل أيون ثنائي الشحنة الموجبة 2+Mg وهو من المغذّيات الأساسية للحياة؛ وخاصّةً في العلاقة الوثيقة بينه وبين الفوسفات؛ حيث يلعب المغنيسيوم دوراً في تثبيت واستقرار المركّبات متعدّدة الفوسفات في الخلايا بما فيها تلك المتعلّقة باصطناع الحمض النووي الريبوزي والحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين؛ كما يحتاج مركّب أدينوسين ثلاثي الفوسفات، وهو مصدر الطاقة الأساسي في الخلايا، إلى الارتباط مع أيون المغنيسيوم ليصبح ذا فعالية ونشاط، ولوحظ أن جزيء ATP يوجد عادةً على شكل متمَخلب مع أيون المغنيسيوم.
المصادر الغذائية
هناك عددٌ متنوّع من المصادر الغذائية الحاوية على المغنيسيوم، منها الحبوب والمكسّرات؛ والخضراوات الورقية مثل السبانخ. تبلغ الكمّيّة الغذائية المرجعية من المغنيسيوم في المملكة المتّحدة مقدار 300 مغ للرجال و270 مغ للنساء؛ أمّا في الولايات المتّحدة الأمريكية فتبلغ الكمية الغذائية اليومية المرجعية مقدار 400 مغ للرجال الذين أعمارهم بين 19–30 سنة، و420 مغ للأسنّ من ذلك؛ أمّا للنساء فبمقدار 310 مغ للواتي أعمارهنّ بين 19–30 سنة، و320 مغ للأسنّ من ذلك. يمكن الحصول على الحاجة اليومية من المغنيسيوم بواسطة المكمّلات الغذائية، وخاصّةً على الشكل الشائع أكسيد المغنيسيوم، إذ أن محتواه من المغنيسيوم مرتفع بالنسبة إلى وزنه، والأكسيد هو أقلّ نشاطاً من الناحية الحيوية بالمقارنة مع أملاح السترات أو الكلوريد أو اللاكتات أو الأسبارتات للمغنيسيوم.
الوفرة في الجسم
يحوي جسم إنسان بالغ ما مقداره 22-26 غرام من المغنيسيوم؛ ويوجد 60% من هذا المحتوى في الهيكل العظمي، و39% منه في الوسط داخل الخلوي (20% في العضلات الهيكلية)، و1% في الوسط خارج الخلوي. يحوي مصل الدم مستويات نمطية من المغنيسيوم تبلغ 0.7–1.0 ميلي مول/الليتر (1.8–2.4 ميلي مكافئ/الليتر)؛ وتجري عملية ضبط مستوى المغنيسيوم في مصل الدمّ وفق عمليات الامتصاص في القناة الهضمية والطرح الكلوي. هناك علاقة بين مستوى المغنيسيوم في الوسط بين الخلوي وبين مستويات البوتاسيوم؛ كما أنّ زيادة مستوى المغنيسيوم تقلّل من مستويات الكالسيوم؛ ويمكن أن يمنع فرط كالسيوم الدم أو أن يسبّب نقص كالسيوم الدم، وذلك حسب المستوى الأولي في الجسم. يؤدّي المحتوى البروتيني المرتفع أو المنخفض في الوجبات الغذائية إلى حجب امتصاص المغنيسيوم؛ وكذلك كمّيّة الفوسفات والفيتات (أملاح حمض الفيتيك) والدهن في الأمعاء. يُطرَح المغنيسيوم غير الممتصّ في البراز؛ أمّا المغنيسيوم الممتصّ فيُطرَح في البول والعرق.
يمكن أن يُقيَّم مستوى المغنيسيوم في الجسم بإجراء تحاليل طبية لقياس تراكيز في عيّنات الدم أو مصل الدمّ بشكل مقترن مع تحليل البراز والبول؛ إلّا أنّ إجراء اختبارات تحميل المغنيسيوم الوريدي هي أكثر دقّة وعَمَلية. إنّ الاحتفاظ بنسبة 20% أو أكثر من الكمّيّة المحقونة يشير إلى وجود عوز في المغنيسيوم. لا يوجد واسم حيوي متوفّر للكشف عن المغنيسيوم في الجسم. يمكن أن تراقب مستويات تركيز المغنيسيوم في البلازما لعدّة أهداف، إمّا لمعرفة نجاعة الجرعات أو المكمّلات الغذائية من المغنيسيوم، أو لغرض السلامة ومراقبة حالة المُتَلقّين للمغنيسيوم بهدفٍ علاجي، أو لغرض التحقيقات الجنائية في حالة حدوث جرعة مفرطة مميتة. وُجدَ أنّ الأطفال المولودين حديثاً للأمّهات اللواتي تَلقيْنَ تغذية بالحقن من كبريتات المغنيسيوم أثناء المخاض يمكن أن يظهروا سمّيّةً، رغم وجود مستويات مغنيسيوم طبيعية في مصل الدمّ.
النقص
تدعى حالة نقص مستويات المغنيسيوم في البلازما باسم نقص المغنيسيوم ، وهي حالة شائعة، إذ توجد بنسبة حوالي 2.5–15% في السكّان. كما وَجدَت دراسةٌ أنّ حوالي 48% من سكّان الولايات المتّحدة الأمريكية كانوا قد استهلكوا بين سنتي 2005 و2006 كمّيّات من المغنيسوم أقلّ من تلك الموصى بها مرجعياً. لا يبدي نقص المغنيسيوم أعراضاً خاصّةً به، إنّما قد تترافق الأعراض مع حدوث خللٍ وظيفي استقلابي أو عصبي عضلي أو دوراني. أمّا الحالات المزمنة من نقص المغنيسيوم في مصل الدمّ فهي متعلّقة بحدوث حالات مرضية مثل المتلازمة الأيضية أو سكري النوع الثاني أو الارتجاف الحزمي أو ارتفاع ضغط الدم.
العلاج
تُستخدَم مركّبات المغنيسيوم للعلاج في حالات معيّنة، مثل حالة اضطراب النظم القلبي المترافقة مع تورساد دي بوانت ومتلازمة كيو تي الطويلة؛ والتي يُستخدَم فيها محلول وريدي من كبريتات المغنيسيوم؛ كما يُستخدَم المحلول نفسه لمعالجة حالة ما قبل الإرجاج والإرجاج. عند نقص المغنيسيوم بسبب الكحولية يمكن أن تُعطى مركّبات المغنيسيوم إمّا فموياً أو بالحقن، وذلك اعتماداً على درجة النقص؛ كما توجد علاقة بين حالة المغنيسيوم في الجسم وبين الصداع النصفي، لكنّ دور مكمّلات المغنيسيوم المأخوذة فموياً في العلاج لا يزال بحاجة إلى دراسة وتوضيح.
الجرعة الزائدة
من المستبعد أن تؤخذ جرعة زائدة من مجرد تناول مصادر غذائية حاوية على المغنيسيوم، إذ يًطرَح الفائض منه في الدمّ مباشرة من الكليتين؛ إلّا في حال وجود مشاكل كلوية. بالمقابل سبّبَ العلاج بجرعات ضخمة من الفيتامينات في حالات نقص المغنيسيوم بحوادث وفيات مسجلّة. تشمل أعراض وجود جرعة زائدة من المغنيسيوم كلاً من الغثيان والتقيّؤ والإسهال؛ بالإضافة إلى أعراض أخرى تشمل انخفاض ضغط الدم وبطء القلب واحتمالية حدوث الوفاة بسبب توقف القلب.
عند النباتات
تحتاج النباتات إلى المغنيسيوم من أجل اصطناع الكلوروفيل الضروري للتركيب الضوئي. يوجد المغنيسيوم في مركز حلقة البورفيرين، وهو أساسي في الدور الوظيفي بشكلٍ مشابه للحديد في مركز حلقة البورفيرين في تركيب الهيم. يؤدّي عوز المغنيسيوم في النبات إلى حدوث اصفرار بين عروق أوراق النبات، خاصّةً الأقدم منها؛ ويمكن معالجة الحالة بإضافة كبريتات المغنيسيوم (الملح الإنجليزي)، والذي يرشح بسرعة إلى التربة.
الاستخدامات
يدخل المغنيسيوم في العديد من التطبيقات العملية في الحياة اليومية. يأتي المغنيسيوم في المرتبة الثالثة من بين الفلزّات المستخدمة في البناء وتصنيع الهياكل المعدنية، وذلك بعد الحديد والألومنيوم.
تشمل التطبيقات الأساسية للمغنيسيوم دخوله في تركيب السبائك والسبك في القوالب مع الزنك، بالإضافة إلى إزالة الكبريت أثناء إنتاج الحديد والفولاذ، وفي إنتاج التيتانيوم في عملية كرول.
الصناعات المعدنية
تعدّ سبيكة إلكترون من سبائك المغنيسيوم واسعة الاستخدام في صناعة الهياكل المعدنية، وخاصّةً تلك المستخدمة في صناعة أجزاء الطائرات ومحرّكات السيارات؛ ويستخدم بازدياد من قبل مُصَنّعي آليات الفضاء الجوّي، وذلك في تركيب مكوّنات المحرّكات والتجهيزات الداخلية للطائرات والصواريخ. يستخدم المغنيسيوم في إنتاج سبائك ذات مواصفات تجمع بين المتانة وخفّة الوزن؛ ويُقتَرح أن يُستخدَم بديلاً عن الألومنيوم في بعض التطبيقات الخاصّة. هناك سبائك ومواد مُؤلَّفة أخرى للمغنيسيوم، فعلى سبيل المثال، عندما يُحقَن المغنيسيوم مع جسيمات نانوية من كربيد السيليكون يعطي مادّةً غاية في المتانة.
الطائرات
استخدمت شركة رايت إيرونوتيكال المغنيسيوم في صناعة علبة المرافق لمحرّك الطائرة رايت آر-3350 دوبلكس سيكلون في زمن الحرب العالمية الثانية. ترافق استخدام المغنيسيوم في صناعة علبة المرافق في الطائرات مع حدوث مشاكل في النماذج الأولية للطائرات المُصنّعة، تَمثّل في الطائرة بوينغ بي-29 سوبر فورترس، حيث أدّى اتقاد نارٍ داخل المحرك إلى اشتعال علبة المرافق، ووصلت درجة حرارة الحريق الناتج إلى 3000 درجة سيلزية، وكان بإمكانها أن تفصم عضد الجناح عن جسم الطائرة.
السيارات
استخدمت شركة مرسيدس-بنز سبيكة إلكترون في صناعة الهياكل المعدنية للنماذج الأولى من سيارة مرسيدس-بنز 300 SLR، وكانت سيّارة من هذا الطراز قد تسبّبت في حدوث كارثة سباق لو مان سنة 1955. كما استخدمت شركة بورشه هيكلاً من سبيكة للمغنيسيوم في سيارة بورشه 917 التي فازت في سباق لو مان سنة 1971. ولا تزال العديد من شركات السيّارات الحديثة تستخدم سبائك مطوّرة من المغنيسيوم في تركيب هياكل المحرّكات، بحيث تتحملّ درجات حرارة مرتفعة وتكون فيه ظاهرة الزحف منخفضة، وذلك بتشكيل رواسب بين فلزية على الفواصل بين الحبيبات البلورية عن طريق إضافة خليط فلزات أو الكالسيوم.
الصناعات الإلكترونية
بسبب انخفاض كثافته وخواصه الميكانيكية والكهربائية الجيّدة فإنّ المغنيسيوم يُستخدَم بشكلٍ واسعٍ في صناعة الأجهزة الإلكترونية مثل الهواتف والحواسيب المحمولة واللوحية وغيرها.
الإضاءة والمؤثرات البصرية
يصدر المغنيسيوم ضوءاً ساطعاً ذا لون أبيض عند احتراقه، وتقع أطوال الموجة الخاصّة به في المجالين المرئي وفوق البنفسجي، ولذلك فإنه يُستخدَم في بعض الأحيان في إصدار وميض أبيض قويّ مصدراً للإضاءة في تطبيقات خاصّة. فقد كان المغنيسيوم مُستَخدماً في تركيب مسحوق الفلاش في أوائل عهد التصوير الفوتوغرافي، ويدخل المغنيسيوم في تركيب المواد المتوهّجة والمقذوفات والألعاب النارية وغيرها؛ كما كان يُستخدَم في إخراج المؤثّرات البصرية في العروض المختلفة؛ مثل تمثيل مظهر البرق، أو وميض إطلاق النار من المسدّسات؛ أو لظهور الخوارق.
تطبيقات أخرى
يُستخدَم المغنيسيوم في الاصطناع العضوي على شكل شرائط أو خراطة من أجل تحضير كاشف غرينيار.
يدخل المغنيسيوم على هيئة مختزل لفصل اليورانيوم وفلزّات أخرى (مثل النحاس والنيكل والكروم والزركونيوم) عن أملاحها المرافقة؛ كما يُستخدَم المغنيسيوم في صناعة الحديد الزهر المرن.
يُستخدَم المغنيسيوم أيضاً لإشعال الثرميت أو المواد الأخرى التي تتطلّب درجة إشعال مرتفعة.
من الشائع استخدام أسلاك وقطع من المغنيسيوم مصعداً جلفانياً من أجل حماية الهياكل المعدنية من التآكل، وذلك للقوارب والخزّانات تحت الأرضية وأنابيب النقل ومراجل المياه، على سبيل المثال.
يُسبَك المغنيسيوم مع الزنك لإنتاج الصفائح المستخدمة في النقش الضوئي؛ وفي تركيب جدران البطّاريات الجافّة؛ أمّا السبائك مع الألومنيوم فتُستخدَم في صناعة عبوة المشروبات؛ وفي صناعة المعدّات المختلفة مثل مضارب الغولف وبكرات الصيد وأسهم وأقواس النبالة.
يمكن أن تُستخدَم بطّاريات المغنيسيوم، سواءً ضمن أنواع البطّاريات الأولية أو القابلة للشحن. من جهةٍ أخرى تعمل شركة ميتسوبيشي على تطوير محرّك حراري يعتمد على التفاعل الكيميائي بين المغنيسيوم والماء من أجل توليد الطاقة.
المخاطر
يُصنّف المغنيسيوم ضمن الفلزّات الخطرة. إذ أنّ المغنيسيوم قابل جدّاً للاشتعال، خاصة على شكل مسحوق أو خراطة أو صفائح رقيقة؛ وهو يحترق عند درجة حرارة تراوح 3000 °س؛ وتبلغ درجة حرارة الاشتعال الذاتي لشريط المغنيسيوم حوالي 473 °س. عند التعامل بمسحوق المغنيسيوم يجب ارتداء معدّات الوقاية الشخصية المناسبة، وخاصّةً النظّارات الواقية المزوّدة بمرشّح للأشعّة فوق البنفسجية، لأنّ الوميض الأبيض القويّ الصادر عن احتراق المغنيسيوم يصدر أشعّةً فوق بنفسجية يمكن أن تتسبّب بضررٍ دائم لشبكيّة العين.
من الصعب إخماد حرائق المغنيسيوم، لأنّ اشتعال هذا الفلزّ يستمر حتى في وسط من النتروجين (يتشكّل حينها نتريد المغنيسيوم)، وفي وسط من ثنائي أكسيد الكربون ومن الماء؛ إذ يتفاعل المغنيسيوم النقيّ بعنفٍ مع الماء، بتفاعلٍ طاردٍ للحرارة؛
Mg (s) + 2 H2O (l) -> Mg(OH)2 (s) + H2 (g)
لذلك لا يمكن استخدام الماء من أجل إخماد نار المغنيسيوم، إذ أنّ غاز الهيدروجين المتحرّر يساعد على الاشتعال. كما يتفاعل المغنيسيوم النقيّ مع ثنائي أكسيد الكربون بشكل طاردٍ للحرارة، ليشكّل أكسيد المغنيسيوم والكربون:
2 Mg + CO2 -> 2 MgO + C (s)
لذلك لا تُستخدَم مطافئ ثنائي أكسيد الكربون لإخماد حرائق المغنيسيوم أيضاً. من أجل إخماد نار المغنيسيوم تُستخدَم مطافئ حريق من الصنف D المعتمدة على المساحيق الجافّة؛ أو بتغطية الحريق بالرمل.
التسمية العربية
يذكُر كتاب «المصطلح الأعجمي في كتب الطب والصيدلة العربية» أنَّ مصطلح (Magnesium) يُعرب إلى «مَانِيزْيُوم»، وأنَّ المعربون يرسمونه أيضًا «مغنيزيوم»، معتمدًا في ذلك على معجم المصطلحات الطبية المُترجم عن معجم كليرفيل الفرنسي. وحسب معجم اللغة العربية المعاصرة فإنَّ الكلمة تُعرب إلى «مغنيزيوم أو مغنيسيوم». أما «معجم الكيمياء والصيدلة» الصادر عن مجمع اللغة العربية بالقاهرة فيُعرب الكلمة إلى «مغنسيوم» ويذكر أنَّ رمزه (ما) (Mg). ويُعربها المعجم الطبي الموحد فيذكر «المَغْنيزيُوم»، ومعجم مرعشي الطبي الكبير فيذكُر «مَغْنيزيُوم، المَغنسيُوم» وقاموس حتّي الطبي الجديد فيذكُر «المَغنيزيُوم، المَغنسيُوم» ويُعرفه على أنه .
هوامش
المراجع
باللغة الإنجليزية
باللغة العربيَّة
عناصر كيميائية
فلزات قلوية ترابية
مختزلات
مضافات غذائية
معادن غذائية
وقود التقانة النارية