Μαγνήσιο

Ιστορία

Το όνομα προέρχεται από τη Μαγνησία της Θεσσαλίας. Σχετίζεται με το μαγνητίτη (Fe₃S₄) και το μαγγάνιο (Mn), που προέρχονται από κοιτάσματα στην περιοχή και χρειάζονται διαφοροποίηση στην ονομασία τους ως διαφορετικές ουσίες. 
Το μαγνήσιο είναι το έβδομο (7ο) κατά μάζα και το όγδοο (8ο) κατά μοριακή συγκέντρωση πιο άφθονο χημικό στοιχείο στο φλοιό της Γης. Βρίσκεται σε μεγάλα αποθέματα μαγνησίτη, δολομίτη και άλλα ορυκτά και μεταλλικά νερά, καθώς το ιόν του μαγνησίου (Mg²⁺) είναι διαλυτό. Το 1618 ένας αγρότης από το Έπσομ της Αγγλίας προσπάθησε να ποτίσει τις αγελάδες του με νερό από ένα πηγάδι. Αυτές αρνήθηκαν να πιουν, γιατί το νερό είχε πικρή γεύση. Ωστόσο ο αγρότης παρατήρησε ότι το νερό έμοιαζε να θεραπεύει γδαρσίματα και ουλές. Η φήμη για τα άλατα από το Έπσομ εξαπλώθηκε. Τελικά αναγνωρίστηκε ότι περιείχαν ένυδρο θειικό μαγνήσιο (MgSO₄).
Το ίδιο το μέταλλο πρωτοπαρασκευάστηκε επίσης στην Αγγλία από τον Σερ Χάμφρι Ντέιβι (Sir Humphry Davy) το 1808 με ηλεκτρόλυση ενός μίγματος οξείδιο του μαγνησίου (MgO) και οξείδιο του υδραργύρου (HgO). O Antoine Bussy το παρασκεύασε το 1831. Η πρώτη πρόταση του Ντέιβι για την ονομασία του ήταν «μάγνιο» (magnium), αλλά τελικά επικράτησε το όνομα «μαγνήσιο».

Ορυκτά

Παρόλο που το μαγνήσιο βρέθηκε σε πάνω από 60 ορυκτά, μόνο ο δολομίτης. ο μαγνησίτης, ο βρουσίτης, ο καρναλλίτης, ο τάλκης και ο ολιβίνης έχουν εμπορική σημασία.

Θαλασσινό νερό

Το κατιόν του μαγνησίου (Mg²⁺) είναι το δεύτερο (2ο) σε αφθονία κατιόν στο θαλασσινό νερό (περίπου το 12% της μάζας του νατρίου). Αυτό κάνει το θαλασσινό νερό μια ελκυστική εμπορικά πηγή παραγωγής μαγνησίου. Για την εξαγωγή του μαγνησίου από το θαλασσινό νερό ακολουθείται η ακόλουθη διαδικασία:
1. Προστίθεται στο θαλασσινό νερό υδροξείδιο του ασβεστίου [Ca(OH)₂], για να καταβυθιστεί το δυσδιάλυτο υδροξείδιο του μαγνησίου [Mg(OH)₂]:
2. Το ίζημα του Mg(OH)₂ διηθείται και κατεργάζεται με υδροχλωρικό οξύ (HCl), οπότε λαμβάνεται πυκνό διάλυμα χλωριούχου μαγνησίου (MgCl₂):
3. Το μεταλλικό μαγνήσιο (Mg) λαμβάνεται με ηλεκτρόλυση τήγματος MgCl₂:

Στις ΗΠΑ

Οι ΗΠΑ ήταν παραδοσιακά ο μεγαλύτερος παραγωγός μαγνησίου παγκοσμίως, παρέχοντας το 45% της παγκόσμιας παραγωγής το 1995. Σήμερα πια το μερίδιό τους στην παγκόσμια αγορά μειώθηκε στο 7%, με μία μόνο εταιρεία παραγωγής που καλύπτει την εγχώρια ζήτηση του προϊόντος.

Στην Κίνα

Από το 2005 η Κίνα πήρε τη θέση του μεγαλύτερου παγκοσμίου προμηθευτή μαγνησίου, καλύπτοντας το 60% της παγκόσμιας παραγωγής, ενώ το 1995 κάλυπτε μόλις το 4%. Στην Κίνα προτιμάνε σχεδόν απόλυτα μια διαφορετική μέθοδο παραγωγής μετάλλου από τα ορυκτά της ηλεκτρόλυσης, την πυριτιοθερμική μέθοδο Pidgeon, δηλαδή την αναγωγή του οξειδίου του μαγνησίου (MgO) από πυρίτιο (Si) σε υψηλή θερμοκρασία:

Αξιοσημείωτα χαρακτηριστικά

Το στοιχειακό μαγνήσιο είναι ένα αρκετά ανθεκτικό και ελαφρύ αργυρόλευκο μέταλλο, με δύο τρίτα (2/3) της πυκνότητας του αλουμινίου. Όταν έρχεται σε επαφή με τον αέρα αντιδρά με αυτόν, παρόλο που, σε αντίθεση με τα μέταλλα των αλκαλίων, δεν είναι απαραίτητο να φυλάσσεται σε περιβάλλον χωρίς οξυγόνο, γιατί δημιουργεί ένα προστατευτικό στρώμα οξειδίου του μαγνησίου, το οποίο είναι αρκετά αδιάβροχο και δύσκολο να αφαιρεθεί. Το μαγνήσιο, όπως και το ασβέστιο που βρίσκεται από κάτω του, στην ίδια ομάδα στον περιοδικό πίνακα (2 ή ΙΙΑ), αντιδρά με το νερό σε θερμοκρασία δωματίου, αλλά αντιδρά πολύ πιο αργά από το ασβέστιο. Όταν βυθίζεται στο νερό, φυσαλίδες αέριου υδρογόνου (Η₂) εμφανίζονται σχεδόν απαρατήρητα στην επιφάνεια του μαγνησίου. Η αντίδραση πραγματοποιείται ταχύτερα σε υψηλότερη θερμοκρασία. Το μαγνήσιο επίσης αντιδρά εξωθερμικά με τα περισσότερα οξέα, όπως το υδροχλωρικό οξύ (HCl). Όπως και με το αργίλιο, τον ψευδάργυρο και με τα άλλα μέταλλα που είναι ηλεκτροθετικότερα, η αντίδραση με υδροχλωρικό οξύ παράγει ένα άλας που στο θετικό μέρος του έχει το μέταλλο αυτό και στο αρνητικό του το χλώριο (Cl⁻) και απελευθερώνεται αέριο υδρογόνο: 
Τα μέταλλα που μπορούν να πραγματοποιήσουν αυτή την αντίδραση πρέπει να είναι πιο δραστικά από το υδρογόνο (Η₂) (βλ.: Σειρά δραστικότητας των μετάλλων).
Το μαγνήσιο είναι ένα πολύ εύφλεκτο μέταλλο, όταν είναι σε σκόνη ή μικρά κομμάτια, αλλά αναφλέγεται δύσκολα όταν βρίσκεται σε μεγάλη ποσότητα. Αφού αναφλεχθεί είναι δύσκολο να σβήσει και είναι ικανό να αναφλεχθεί και σε περιβάλλον με άζωτο (N₂) [για να σχηματίσει αζίδιο του μαγνησίου (Mg₃N₂)] και σε περιβάλλον με διοξείδιο του άνθρακα (CO₂) [για να σχηματίσει οξείδιο του μαγνησίου (MgO) και άνθρακα (C)]. Αυτή του η ιδιότητα χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή φλογοβόλων και εμπρηστικών βομβών για πόλεις κατά το Δεύτερο Παγκόσμιο Πόλεμο, αφού το μόνο πρακτικό αντίμετρο είναι η κάλυψη της φλεγόμενης επιφάνειας με ξηρή άμμο, για να εμποδιστεί η παραπέρα επαφή με την ατμόσφαιρα.
Κατά την καύση του σε επαφή με τον αέρα παράγει ένα εκτυφλωτικό λευκό φως και γι’ αυτό η σκόνη μαγνησίου χρησιμοποιούνταν στα φλας κατά τον πρώτο καιρό της ύπαρξης των φωτογραφιών. Σήμερα η σκόνη μαγνησίου χρησιμοποιείται στα πυροτεχνήματα και στις φωτοβολίδες των πλοίων, οι οποίες χρησιμοποιούνται σε περίπτωση ανάγκης και απαιτούν την ύπαρξη δυνατού λευκού φωτός. Η θερμοκρασία ανάφλεξης του μαγνησίου και των κραμάτων του δεν μπορεί να ξεπεράσει τους 1.371 ᵒC και το ύψος της φλόγας πάνω από το μέταλλο δεν μπορεί να ξεπεράσει τα 300 mm. Το μαγνήσιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν προσάναμμα (καύσιμη ύλη για ανάφλεξη) για το θερμίτη, δηλαδή ένα διαφορετικά δύσκολα αναφλέξιμο μείγμα σκόνης αλουμινίου (Al) και οξείδιο του σιδήρου (FeO). 
Οι (ανόργανες) ενώσεις του μαγνησίου είναι τυπικά λευκοί κρύσταλλοι. Οι περισσότερες μπορούν να διαλυθούν στο νερό αποδίδοντας το κατιόν μαγνησίου (Mg²⁺) με την ξινή δυσάρεστη του γεύση. Μικρά ποσά διαλυμένων ιόντων μαγνησίου συνεισφέρουν στην οξύτητα και τη γεύση των φυσικών υδάτων. Ιόντα μαγνησίου σε μεγάλες ποσότητες χρησιμεύουν ως ήπια καθαρτικά και το θειώδες μαγνήσιο (MgSO₃) χρησιμοποιείται συνήθως γι’ αυτό το σκοπό. Το γνωστό «γάλα της μαγνησίας» είναι μία από τις πιο δυσδιάλυτες ουσίες του μαγνησίου, το υδροξείδιο του μαγνησίου [Mg(OH)₂]. Το «γάλα της μαγνησίας» είναι μια αραιά βάση και χρησιμοποιείται συνήθως ως αντιόξινο.

Κατασκευαστικές εφαρμογές ως ελεύθερο μέταλλο και σε κράματα

Το μαγνήσιο είναι το τρίτο (3ο) συχνότερα χρησιμοποιούμενο κατασκευαστικό μέταλλο, ακολουθώντας το χάλυβα και το αλουμίνιο. Η κύρια χρήση του είναι να σχηματίζει κράματα με το αλουμίνιο, μια ευρεία χρήση των οποίων είναι η κατασκευή μεταλλικών κουτιών για αναψυκτικά και μπύρες. Ωστόσο και το καθαρό μαγνήσιο μπορεί να συγκριθεί με το αλουμίνιο, γιατί είναι ισχυρό και ελαφρύ. Γι' αυτό χρησιμοποιείται σε μεγάλο βαθμό σε κατασκευαστικές εφαρμογές, όπως ανταλλακτικά αυτοκινήτων και φορτηγών. Ειδικά οι υψηλές ποιότητας ζάντες κράματος μαγνησίου που ονομάζονται «mag wheels». Το 1957 το μοντέλο «Corvette SS», που σχεδιάστηκε για αγώνες ταχύτητας, είχε αμάξωμα από καθαρό μαγνήσιο. Ένα άλλο σπορ μοντέλο, το «Mercedes-Benz 300 SLR» είχε αμάξωμα από το κράμα μαγνησίου «Elektron». Αυτά τα μοντέλα είχαν επιτυχίες στους αγώνες «Le Mans» και «Mille Miglia», καθώς και σε άλλους αγώνες αυτοκινήτων του 1955, αν και ένα από αυτά είχε ένα από τα χειρότερα δυστυχήματα με ανθρώπινες απώλειες στον αγώνα του «Le Mans». Η «Porsche», στη διαρκή προσπάθειά της για ελάττωση του βάρους των αυτοκινήτων της, οδηγήθηκε στη χρήση φτερών από μαγνήσιο στο διάσημο μοντέλο της «Porsche 917/053» που νίκησε τον αγώνα «Le Mans» του 1971, όπου ακόμη κρατά το απόλυτο ρεκόρ απόστασης. Το «917/30 Can-Am» επίσης είχε φτερά από μαγνήσιο, βοηθώντας έτσι την εκμετάλλευση του φιλόδοξου κινητήρα 1100-1500 ίππων της «Volkswagen Group», που επίσης χρησιμοποιούσε πολλά ανταλλακτικά από μαγνήσιο, για πολλά έτη. Για μακρά περίοδο η «Porsche» χρησιμοποίησε κράμα μαγνησίου για τους κινητήρες της, εξαιτίας φυσικά του μειωμένου βάρους του. Επίσης υπήρξε ανανεωμένο ενδιαφέρον για κινητήρες από μαγνήσιο ή και κράματά του από την «BMW», από το 2006 στα μοντέλα της «325i» και «325i» Οι κινητήρες της «BMW» χρησιμοποίησαν κράμα μαγνησίου (συγκεκριμένα το «AJ62A») στα εσωτερικά τοιχώματα των κυλίνδρων τους, καθώς και στα χιτώνια ψύξης τους. Ο κινητήρας της «Corvette Z06» το 2006 είχε περίβλημα από το κράμα μαγνησίου «AE44» θεωρήθηκε μια υψηλής τεχνολογίας σχεδίαση. Όλα αυτά τα κράματα είναι πρόσφατες εξελίξεις υψηλής θερμοκρασίας και χαμηλής τριβής κραμάτων μαγνησίου. Η «Mitsubishi Motors» επίσης χρησιμοποιεί μαγνήσιο, μεταλλικό και σε κράματα, για τα χειριστήρια αλλαγής ταχυτήτων της. Η γενική στρατηγική γι' αυτά τα κράματα είναι να σχηματίζουν διαμετταλλικές επαφές στα όρια κόκκων, π.χ. προσθέτοντας και μεταλλικό ασβέστιο. Νέες εξελίξεις ανάπτυξης κραμάτων μαγνησίου και μειωμένα κόστη αρχίζουν να γίνονται ολοένα πιο ανταγωνιστικά για το καθαρό αλουμίνιο σε όλο και περισσότερες εφαρμογές της αυτοκίνησης.
Η δεύτερη περιοχή εφαρμογών του μαγνησίου είναι οι ηλεκτρονικές συσκευές. Εξαιτίας της μικρής του πυκνότητας και των καλών μηχανικών και ηλεκτρικών ιδιοτήτων του, το μαγνήσιο χρησιμοποιείται ευρύτατα στην κατασκευή κινητών τηλεφώνων, φορητών υπολογιστών, φωτογραφικών μηχανών, καμερών και άλλων ηλεκτρονικών συσκευών.
Ιστορικά το μαγνήσιο ήταν ένα από τα κύρια μέταλλα κατασκευής αεροδιαστημικών σκαφών και σχετικών συστημάτων. Χρησιμοποιήθηκε από τη Γερμανία για την κατασκευή πολεμικών αεροσκαφών της από τον Πρώτο Παγκόσμιο Πόλεμο, αλλά ιδιαίτερα κατά το Δεύτερο Παγκόσμιο Πόλεμο. Κατοχύρωσαν ακόμη την ονομασία «Elektron» για το σημαντικό αυτό κράμα μαγνησίου. Εξαιτίας των πιθανών ζημιών από την ανάφλεξη εξαρτημάτων μαγνησίων σε περίπτωση πυρκαγιάς η εφαρμογή του μαγνησίου στην αεροδιαστημική βιομηχανία γενικά είχε αποκλειστεί από τα εξαρτήματα των κινητήρων της. Ωστόσο πλέον η χρήση κραμάτων μαγνησίου και στον αεροδιαστημικό τομέα αυξάνεται, εξαιτίας της σημασίας της οικονομίας καυσίμων εκεί και επομένως της μείωσης του βάρους κατασκευής. Η ανάπτυξη και η έρευνα κραμάτων μαγνησίου (π.χ του «Elektron 21») συνεχίζεται επιτυχημένα στους κινητήρες, στα εσωτερικά και στα ατρακτικά εξαρτήματα. Η Ευρωπαϊκή Ένωση χρηματοδοτεί τρία (3) σχετικά ερευνητικά εγχειρήματα για την αεροδιαστημική τεχνολογία, με προτεραιότητα το «Six Framework Program».

Βιολογική σημασία

Εξαιτίας της μεγάλης αλληλεπίδρασης μεταξύ των ιόντων του φωσφόρου και του μαγνησίου, τα ιόντα μαγνησίου είναι απαραίτητα για τη δημιουργία των νουκλεϊκών οξέων και συνεπώς απαραίτητα σε όλα τα κύτταρα όλων των γνωστών ζωντανών οργανισμών στη γη. Πάνω από 300 ένζυμα απαιτούν την παρουσία ιόντων μαγνησίου για την καταλυτική δράση τους.
Τα φυτά έχουν ακόμα ένα τρόπο με τον οποίο χρησιμοποιούν το μαγνήσιο. Υπάρχει στη χλωροφύλλη και η ανεπάρκειά του μπορεί να προκαλέσει καθυστερημένη πτώση των κίτρινων φύλλων.
Το μαγνήσιο είναι πολύ σημαντικό στοιχείο της ανθρώπινης διατροφής. Το σώμα ενός ενήλικα περιέχει περίπου 24 γραμμάρια μαγνησίου, με το 60% στο σκελετό, το 39% εντός των κυττάρων (20% στους σκελετικούς μύες) και το υπόλοιπο 1% εκτός των κυττάρων. Στο ανθρώπινο σώμα επίσης φαίνεται το μαγνήσιο να διευκολύνει την απορρόφηση του ασβεστίου. Υψηλή ή χαμηλή κατανάλωση πρωτεϊνών μπορούν να εμποδίσουν την απορρόφηση του μαγνησίου και άλλα διατροφικά στοιχεία, όπως ο φώσφορος και τα λίπη, την επηρεάζουν.
Πηγές μαγνησίου είναι οι ξηροί καρποί, τα δημητριακά, ο καφές, το κακάο, το τσάι, τα μπαχαρικά και τα λαχανικά (ειδικά αυτά που έχουν πράσινα φύλλα). Τα τελευταία χρόνια έχει παρατηρηθεί μείωση του μαγνησίου στους ανθρώπους με μοντέρνες διατροφικές συνήθειες, καθώς ο καθαρισμός της τροφής και τα λιπάσματα μειώνουν ή “εξαφανίζουν” το υπαρκτό μαγνήσιο.
Υπάρχουν πολλά συμπληρώματα μαγνησίου. Το οξείδιο του μαγνησίου (MgO), είναι ένα από τα πιο κατάλληλα, καθώς περιέχει μεγάλη ποσότητα μαγνησίου ανά μονάδα βάρους, αλλά είναι αυτό που υπάρχει στη μικρότερη ποσότητα στη φύση. Το όξινο κιτρικό μαγνήσιο (C₆H₆ O₇Mg) έχει αναφερθεί ότι υπάρχει σε μεγαλύτερη ποσότητα στη φύση.