Magneesium

Võrdlus berülliumi ja alumiiniumiga

Magneesium erineb alarühmakaaslasest berülliumist aatomi ja iooni mõõtmete poolest (ioonide Be²⁺ ja Mg²⁺ raadiused on vastavalt 0,034 ja 0,078 nm).
Perioodinaabrist alumiiniumist erineb magneesium valentsielektronide väiksema arvu ning aatomi suhteliselt suurte mõõtmete poolest.
Magneesiumil avalduvad metallilised omadused tugevamini kui berülliumil ja alumiiniumil. Magneesiumile on vähem iseloomulik kovalentse sideme moodustumine ja iseloomulikum ioonilise sideme moodustumine kui berülliumile ja alumiiniumile. Selles suhtes on ta lähemal tüüpilistele metallilistele elementidele kaltsiumi alarühmast.

Levik

Isotoobid jagunevad järgmiselt: magneesium-24 78,6%, magneesium-25 10,11% ja magneesium-26 11,29%.
Magneesium on litofiilne element, mis kontsentreerub Maa vahevöösse ja maakoorde.
Maal ei leidu teda looduses vabalt, vaid ainult ühendite koosseisus oksüdeerituna.

Vahevöös

Ta on vahevöös hapniku ja räni järel levikult kolmas element ning moodustab umbes 20% vahevöö massist.

Maakoores

Magneesiumi leidub maakoores 2,0 mooliprotsenti  või 2,1% või 2,4 massiprotsenti või umbes 2,8 massiprotsenti ja ta on seal leviku poolest keemilistest elementide seas 7. kohal.

Maailmameres

Ammendamatud magneesiumivarud on ookeanides ja meredes. 1 kuupmeeter merevett sisaldab 1300 g/t (kuni 1,35 kg) magneesiumiioone Mg²⁺ ja kuni 0,38% magneesiumkloriidi.

Soolajärvedes

Mõne soolajärve vees on kuni 30% magneesiumkloriidi.

Vihmavees

Vihmavees on magneesiumi 1–50 g/t.

Organismides

Magneesiumi leidub kõigis organismides.
Taimede klorofülli koostises oleva magneesiumi üldhulka hinnatakse 100 miljardile tonnile. Klorofüll sisaldab ligikaudu 2% magneesiumi.
Magneesium esineb ka mikroelemendina loomses organismis.

Füüsikalised omadused

Magneesiumi tihedus on normaaltingimustel (20 °C) 1,738 g/cm³. See on väike tihedus, umbes 1/4 terase tihedusest.
Magneesiumi sulab temperatuuril 648,8 °C, keemistemperatuur on 1107 °C või 1095 °C.
Magneesium on hõbevalget värvi ja läikiv.
Ta on metall. Berülliumist on ta pehmem ja plastilisem.

Keemilised omadused

Magneesium on keemiliselt küllaltki aktiivne.
Õhu käes moodustub tavalistel temperatuuridel magneesiumi pinnale õhuke, kuid tihe mati värvusvarjundiga  oksiidikiht, mis kaitseb metalli edasise reageerimise eest õhuhapnikuga. Happed, alused ja mõned muud ühendid lahustavad selle oksiidikihi ning panevad metalli reageerima vee või õhuga. Kõrgetel temperatuuridel magneesiumipulber, -laast või -riba (millel on ruumalaga võrreldes suur pindala) süttib ning põleb pimestava valge valgusega magneesiumoksiidiks (MgO). Suuremate kompaktsete metallitükkidena ei ole magneesium eriti tuleohtlik.
Magneesium on nii tugev redutseerija, et ta reageerib ägedalt kuiva jääga: 2Mg + CO₂ → 2MgO + C . Magneesium oksüdeerub magneesiumoksiidiks ja kuiv jää redutseerub tahkeks süsinikuks. Magneesium redutseerib ka vääveldioksiidi vabaks väävliks.
Tavalisel temperatuuril magneesium vees ei korrodeeru. Reageerimine külma veega on väga aeglane, sest reaktsioonisaadus magneesiumhüdroksiid on halvasti lahustuv. Kuumutamisel reaktsioon kiireneb, sest magneesiumhüdroksiid hakkab paremini lahustuma; eraldub ka gaasiline divesinik: Mg + 2H₂O = Mg²⁺ + 2OH– + H₂ .
Magneesium lahustub hapetes väga energiliselt, kusjuures moodustuvad divesinik ja Mg²⁺-ioonid: tekib sool. Erandiks on vesinikfluoriidhape ja fosforhape, milles magneesium lahustub raskesti ning magneesiumi pinnale tekib edasist reageerimist takistav soolakiht. Aluseliste lahustega reageerib vähe, sest pinnale moodustub reaktsioonisaadustest kaitsekiht. Leelistega praktiliselt ei reageeri.
Paljud soolade lahused korrodeerivad ka magneesiumi. Kaitseks korrosiooni eest magneesiumist ja selle sulamitest detaile tavaliselt lakitakse, galvaniseeritakse või oksüdeeritakse kromaadiga.
Magneesium reageerib ka paljude teiste elementidega, näiteks lämmastikuga (kuumutamisel tekib magneesiumnitriid (Mg₃N₂). Teda oksüdeerib ka väävel.
Magneesium reageerib kergesti halogeenidega.

Ühendid

Magneesiumi ühenditel on rida sarnasusi teiste leelismuldmetallide ja tsingi ühenditega. On ka erinevusi: näiteks lahustuvuse poolest sarnanevad nad rohkem liitiumi ühenditega.
Magneesiumi oksüdatsiooniaste on tavaliselt +2, isegi magneesiumhüdriidis (MgH₂). Intermetalliliste ühendite puhul kindlat oksüdatsiooniastet ei ole.
Magneesiumi ühendid on tavaliselt valget värvi või värvitud.
Neid on looduses suurel hulgal, näiteks karbonaadina dolomiidi koostises. Dolomiiti leidub tervete mägedena. Samuti on neid näiteks mitmetes asbestides ning soolakaevandustes, kus nad võivad esineda näiteks karnalliidi ja kiseriidina. Peale selle sisaldab magneesiumi merevesi, sealhulgas magneesiumkloriidina (MgCl₂). Mereveest saadakse raskesti lahustuvat magneesiumhüdroksiidi (Mg(OH)₂) kaltsiumhüdroksiidi lisamise teel. Magneesiumhüdroksiidi kasutatakse muu hulgas paberitööstuses ja heitgaaside puhastamiseks vääveldioksiidist ja vääveltrioksiidist; moodustuvad magneesiumsulfit (MgSO₃) ja magneesiumsulfaat. Peale selle kasutatakse magneesiumhüdroksiidi mitme soola, näiteks magneesiumsulfaadi ja magneesiumkloriidi sünteesiks. Viimane on veevabas vormis lähteaine vaba magneesiumi tootmisel elektrolüüsi teel.
Magneesiumi lihtsamate soolade lahustuvus sarnaneb liitiumi soolade omaga. Magneesiumfluoriid (MgF₂) on vees raskesti lahustuv. Teised soolad koostisega MgX₂, kus X on kloor, broom, jood või nitraatioon, on vees kergesti lahustuvad. Vees raskesti lahustuv ühend on veel magneesiumammooniumfosfaat (MgNH₄PO₄∙6H₂O), mida saab kasutada magneesiumi või fosfaatiooni analüüsiks. Tööstuses kasutatakse teda kiiresti kõvastuvate tsementide valmistamisel.
Lahustuvad magneesiumiühendid on kibeda maitsega.
Magneesiumoksiid on aluseline oksiid.
Paljusid magneesiumiühendeid kasutatakse meditsiinis. Kergesti lahustuvat magneesiumsulfaati (MgSO₄∙7H₂O), nagu ka mõnd teist magneesiumisoola, kasutatakse lahtistina. Magneesiumperkloraat (Mg(ClO₄₂), on hästi vett imav ja seda kasutatakse kuivatusvahendina. Kokkupuutel orgaaniliste ainetega võib ta põhjustada plahvatust, sest ta sisaldab väga oksüdeerivat kloraatiooni. Magneesiumoksiidi (MgO; magnesia usta) saadakse magneesiumhüdroksiidi või magneesiumkarbonaadi kuumutamisel; viimast leidub mineraal magnesiidis. Magneesiumhüdroksiidkarbonaat (magnesia alba) saadakse näiteks naatriumkarbonaadi lisamisel magneesiumisoolade lahustele. Kui magneesiumkarbonaati kuumutatakse umbes 800 °C-ni, saadakse peen magneesiumoksiidi pulber, mida meditsiinis kasutatakse happeid neutraliseeriva vahendina. Samuti võib seda kasutada sideainena, sest ta reageerib veega. Koos magneesiumkloriidi kontsentreeritud lahusega tekib magneesiatsement, mida koos erinevate täiteainetega võib kasutada muu hulgas vuukide täitmiseks. Kui magneesiumoksiidi kuumutada umbes 1600 °C-ni, võtab ta kompaktse kuju, milles teda saab kasutada elektriahjude voodrina ning tiiglitena kõrge sulamistemperatuuriga metallide ja sulamite sulatamiseks, sest tema sulamistemperatuur on 2800 °C ning ta on ka kõrgetel temperatuuridel keemiliselt väga stabiilne.

Magneesiumorgaanilised ühendid

Orgaanilised ühendid koostisega RBr, näiteks fenüülbromiid (C₆H₅Br) ja etüülbromiid (C₂H₅Br) reageerivad veevabas eetris magneesiumiga, nii et moodustuvad Grignardi reaktiivid koostisega RMgBr. Neid kasutatakse laialdaselt orgaanilises sünteesis, näiteks alkoholide ja hapete sünteesiks (Grignardi reaktsioon).

Magneesiumi roll taimses organismis

Magneesium on taimedele makrotoitaine.
Ta on keskse aatomina klorofülli molekuli koosseisus.
Magneesium aktiveerib paljusid keskseid energia- ja ainevahetuse protsesse, sealhulgas fosfaatide ainevahetust. Ta aitab hoida ribosoomide stabiilsust, aidates sellega kaasa valkude sünteesile.
Magneesiumipuudus pärsib fotosünteesi saaduste toimetamist lehelt juurteni ning sellega pärsib juurte kasvu. Magneesiumipuudus avaldub kõigepealt vanematel lehtedel, mis muutuvad heleroheliseks. 
Hiljem võivad tekkida kloroosi- ja nekroosiplekid.

Magneesiumi roll loomses organismis

Kui inimene kaalub 60 kg, siis on tema kehas on umbes 25 g magneesiumi, sellest 70% luudes. Peaaegu pool magneesiumist esineb rakusiseselt katioonina, peamiselt lihastes, ja ülejäänu on luustikus fosfaatsete komplekssoolade koosseisus. Lihased sisaldavad magneesiumi umbes 20–25 mg 100 g kohta, veri 2–3 mg 100 g kohta. Vereseerumis on magneesiumi kontsentratsioon 0,71–0,94 mmol/l.
Magneesiumi ioonid on aktivaatorid reaktsioonides, mis nõuavad ATP-d, näiteks lihase kokkutõmbumine, naatrium-kaalium-pump ning valkude, rasvade ja nukleiinhapete süntees. Neil on tähtsus muu hulgas närviimpulsside ülekandes.
Magneesium osaleb soolade koostises luukoe ja hammaste tekkes.
Ta on inimesel üle 300 ensüümi aktivaator või kofaktor. Tal on muu hulgas fosfaatide ainevahetuse regulaator.

Magneesiumipuudulikkus

Toitumisest tingitud magneesiumipuudulikkust inimesel ei tunta, kuid mao ja soolte haigused võivad vähendada magneesiumi imendumist ning neeruhaiguste, alkoholismi ja pikaajalise diureetikumide tarvitamise korral võib esineda magneesiumipuudulikkus, mis avaldub lihasnõrkuse ja krampidena. Arvatakse, et magneesiumipuudulikkus võib suurendada ateroskleroosi ja rütmihäirete riski.

Vajalik magneesiumikogus

Päevas vajavad mehed umbes 350 mg ja naised umbes 280 mg magneesiumi, lapsed mõnevõrra vähem. Kuid osad allikad kinnitavad, et 350 ja 280 mg on liiga väike kogus.

Magneesiumi sisaldavad toiduained

Tähtsamad magneesiumi allikad on puu- ja köögiviljad (eriti aprikoosid, virsikud, tomatid ja kapsas). Seda saadakse ka teraviljasaadustest, piimast ja lihast.
Tooted, millel on palju magneesiumi: mandlid (250 mg 100 g kohta), Sojauba (248 mg 100 g kohta), tatar (218 mg 100 g kohta), Oad (172 mg 100 g kohta)
Must šokolaad (165 mg 100 g kohta), Kõrvitsaseemned (500 mg 100 g kohta).

Tootmine

Magneesiumi toodetakse mineraalidest, näiteks karnalliidist ja dolomiidist, ning eriti mereveest.
Rea protsesside, sealhulgas kaltsineeritud dolomiidi ja merevee vahelise reaktsiooni (reduktsiooni) teel saadakse magneesiumkloriid. Metall eraldatakse elektrolüüsi teel sulatatud kloriidist; väikese tiheduse tõttu tõuseb magneesium pinnale, kust ta imetakse välja.
Magneesiumi toodetakse veel silikotermilise redutseerimise teel magneesiumoksiidist.
Magneesiumi toodetakse ka asbestijäätmetest (magneesiumsilikaat). Üha enam toodetakse magneesiumi ja selle sulameid jäätmetest.
Magneesiumivarud on praktiliselt piiramatud.

Magneesiumi kasutamine

Magneesium on väga kerge metall ning temast valmistatud detailid on näiteks terasdetailidest üle kahe korra kergemad. Selle omaduse tõttu võiks ta olla suurepärane materjal mitmesuguste konstruktsioonide tarvis. Ühtlasi on magneesium ka kõige kergem metall, mida konstruktsioonimaterjalina kasutatakse. Puhas magneesium on pehme ja peab nii keemiliselt kui ka mehaaniliselt vähe vastu. Seetõttu tuleb tema kasutamine konstruktsioonimaterjalina kõne alla ainult sulamitena. Selle sulamid on samuti kerged, kuid paremate mehaaniliste omadustega. Alumiiniumi lisamine aitab üldiselt suurendada elastsuspiiri, tsingi lisamine teeb sulami kergemini töödeldavaks, mangaani lisamine suurendab korrosioonikindlust. Lisandina kasutatakse ka aktiniide. Magneesiumisulameid kasutatakse raketi-, lennuki- ja autotööstuses ning mitmes masinatööstuse harus. Kõige tähtsam magneesiumisulam on elektron (3–10% alumiiniumi, 0,2–3% tsinki, ülejäänu magneesium), mida tugevuse ja väikese tiheduse tõttu kasutatakse rakettide ja lennukite ehitamisel.
Pulbrilist magneesiumi kasutatakse valgustus- ja signaalrakettides ning süütepommides. Enne välklambi kasutuselevõttu pildistati magneesiumisähvatuse valgusel. Magneesiumi on kasutatud ka välklampides.
Magneesiumanoodide kasutamine kuumaveeboilerites vähendab korrosiooni ja katlakivi sadestumist boileri seintele. Magneesiumi kasutatakse laevade, naftaplatvormide, nafta- ja gaasijuhtmete teraskonstruktsioonide katoodiliseks kaitsmiseks.
Magneesiumi kasutatakse redutseerijana metallide (titaan, tsirkoonium, hafnium, berüllium, toorium, uraan) tootmisel.
Magneesiumi kasutatakse elektripatareides terase ja teiste metallide väävlitustamiseks ja deoksüdeerimiseks ning sepistatava malmi valmistamiseks.
Magneesiumiühendeid kasutatakse terase, tsemendi, väetiste, tulekindlate materjalide jm muude keraamiliste materjalide, klaasi, ravimite, värvide jm valmistamiseks.
Magneesiumi sisaldavaid Grignardi reagente kasutatakse orgaanilises sünteesis (Grignardi reaktsioon).

Meditsiinis

Vett sisaldavat magneesiumsulfaati ((MgSO₄ • 7H₂O)) kasutatakse lahtistina ja lihastesse süstimiseks rahustava vahendina.
Magneesiumoksiidi kasutatakse antatsiidina maohappesuse vähendamiseks ja lahtistina. Maos toimub reaktsioon MgO + 2HCl → MgCl₂ + H₂O ning seejärel peensooles MgCl₂ + 2NaHCO₃ → MgCO₃ + 2NaCl + CO₂ + H₂O. Erinevalt teistest lahtistitest puudub magneesiumoksiidil ebameeldiv maitse, mistõttu ta sobib ka lastele.
Magneesiumkarbonaati jt magneesiumi ühendeid kasutatakse antatsiididena, näiteks ülihappesuse korral. Ühend läbib seedekulgla peaaegu seedimatuna. Sellepärast manustatakse seda tablettidena suures koguses.
Magneesiumi ühendeid kasutatakse ka lahaste tsemendi koostises.

Ajalugu

Magneesiumiühendeid tunti ammu enne elemendi avastamist. Magnesia usta ('põletatud magneesia') nime all tunti magneesiumoksiidi, magnesia alba ('valge magneesia') nime all magneesiumkarbonaati või magneesiumoksiidi ja magneesiumkarbonaadi määramata vahekorras hüdratiseeritud segu. Nende nimetuste järgi on element nime saanud. Arvatavasti on magnesia nime saanud Vana-Kreeka maakonna Tessaalia piirkonna Magneesia järgi: sealt saadi nimetatud aineid (samuti magnetiiti ja mangaani ühendeid).
Esimene, kes magneesiumi ühendeid süstemaatiliselt uuris, oli šoti füüsik ja keemik Joseph Black. Aastal 1755 näitas ta teoses "De humore acido a cibis orto et Magnesia alba", et lubjakivi (kaltsiumkarbonaat) ja magnesia alba (magneesiumkarbonaat), mida tol ajal sageli segi aeti on erinevad ained. Ta käsitas magnesia alba't uue elemendi karbonaadina. Sellepärast nimetatakse Blacki sageli magneesiumi avastajaks, kuigi ta ei saanud magneesiumi lihtainena.
Aastal 1808 sai Humphry Davy magneesiumi, elektrolüüsides niisutatud magneesiumhüdroksiidi Volta samba abil. Ta ei saanud seda küll mitte puhtal kujul, vaid amalgaamina, sest ta töötas elavhõbedast katoodiga: ta elektrolüüsis õigupoolest elavhõbeoksiidi ja magneesiumoksiidi segu. Ta näitas, et magneesia (magneesiumoksiid) on uue metalli oksiid. Selle metalli nimetas ta algselt magniumiks.
Aastal 1828 õnnestus prantsuse keemikul Antoine Bussyl saada kuiva magneesiumkloriidi kuumutamisel kaaliumi kui redutseerijaga saada väikeses koguses magneesiumi.
Aastal 1833 sai Michael Faraday esimesena magneesiumi sula magneesiumkloriidi elektrolüüsi teel. Neile katsetele tuginedes töötas saksa keemik Robert Wilhelm Bunsen 1840ndatel ja 1850ndatel välja menetluse magneesiumi saamiseks soola sulatamise teel omaleiutatud Bunseni elemendi abil. Aastal 1852 töötas ta välja elektrolüüsielemendi suuremates kogustes magneesiumi saamiseks sulast veevabast magneesiumkloriidist.
Magneesiumi tööstuslik tootmine algas 1857 Prantsusmaal Henri Étienne Sainte-Claire'i ja H. Caroni menetlusel. Deville'i-Caroni protsessi käigus taandatakse veevaba magneesiumkloriidi ning kaltsiumfluoriidi segu maatriumiga. Inglismaal alustas firma Johnson Matthey 1860. aasta paiku magneesiumi tootmist sarnasel menetlusel. Need varajased katsed magneesiumi tööstuslikult toota ei tasunud end majanduslikult ära.