Magnesium
Magnesium adalah unsur kesembilan paling melimpah di alam semesta. Magnesium diproduksi dalam penuaan bintang besar dari penambahan sekuensial tiga inti helium ke inti karbon. Ketika bintang semacam itu meledak sebagai supernova, sebagian besar magnesium dimuntahkan ke medium antarbintang yang dapat didaur ulang ke dalam sistem bintang baru. Magnesium adalah unsur kedelapan yang paling melimpah dalam kerak bumi dan unsur keempat yang paling umum di Bumi (setelah besi, oksigen dan silikon), membentuk 13% massa planet dan sebagian besar mantel planet ini. Magnesium adalah unsur paling melimpah ketiga yang terlarut dalam air laut, setelah natrium dan klor.
Magnesium terjadi secara alami hanya dalam kombinasi dengan unsur lain, dan ia selalu memiliki tingkat oksidasi +2. Unsur bebasnya (logam) dapat diproduksi secara artifisial, dan sangat reaktif (meski di atmosfer, segera tersalut lapisan tipis oksida yang sebagian menghambat reaktivitasnya — lihat pasivasi). Logam bebasnya terbakar dengan cahaya putih cemerlang yang khas. Logamnya sekarang terutama diperoleh melalui elektrolisis garam magnesium yang diperoleh dari air garam (), dan terutama digunakan sebagai komponen paduan aluminium magnesium, kadang-kadang disebut "magnalium" atau "magnelium". Magnesium kurang padat dibanding aluminium, dan paduannya sangat berharga karena kombinasi antara bobot ringan dan kekuatan.
Magnesium adalah unsur paling melimpah kesebelas, berdasarkan massa, dalam tubuh manusia dan esensial untuk semua sel dan sekitar 300 enzim. Ion magnesium berinteraksi dengan senyawa polifosfat seperti ATP, DNA, dan RNA. Ratusan enzim memerlukan ion magnesium agar berfungsi. Senyawa magnesium digunakan secara medis sebagai obat pencahar umum, antasida (misalnya, susu magnesia), dan untuk menstabilkan eksitasi saraf abnormal atau kejang pembuluh darah dalam kondisi seperti eklampsia.
Unsur magnesium adalah logam ringan putih abu-abu, dengan densitas dua pertiga dari densitas aluminium. Ia menjadi sedikit kusam saat terpapar udara, walaupun, tidak seperti logam alkali tanah lainnya, tidak perlu disimpan di lingkungan bebas oksigen karena magnesium dilindungi oleh lapisan tipis oksida yang cukup kedap dan sulit dihilangkan. Magnesium memiliki titik leleh terendah () dan titik didih terendah () di antara semua logam alkali tanah.
Magnesium bereaksi dengan air pada suhu kamar, meskipun bereaksi jauh lebih lambat daripada kalsium, logam golongan 2 yang mirip. Saat terendam air, gelembung hidrogen terbentuk perlahan di permukaan logam—meskipun jika dalam bentuk serbuknya ia bereaksi lebih cepat. Reaksi terjadi lebih cepat dengan suhu yang lebih tinggi (lihat Awasan keselamatan). Reaksi reversibel magnesium dengan air dapat dimanfaatkan untuk menyimpan energi dan menjalankan mesin berbasis magnesium.
Magnesium juga bereaksi secara eksotermik dengan kebanyakan asam seperti asam klorida (HCl), menghasilkan logam klorida dan gas hidrogen, serupa dengan reaksi HCl dengan aluminium, seng, dan banyak logam lainnya.
Magnesium sangat mudah terbakar, terutama bila dibuat bubuk atau diiris menjadi strip tipis, meski sulit menyala dalam bentuk massal atau curah. Suhu nyala magnesium dan logam paduannya bisa mencapai , meskipun ketinggian api di atas logam yang terbakar biasanya kurang dari . Setelah menyala, api semacam itu sulit untuk dipadamkan, dengan pembakaran berlanjut dalam nitrogen (membentuk magnesium nitrida), karbon dioksida (membentuk magnesium oksida dan karbon), dan air (membentuk magnesium oksida dan hidrogen). Sifat ini digunakan dalam selama pemboman kota-kota dalam Perang Dunia II, di mana satu-satunya pertahanan sipil praktis untuk memadamkan api yang terbakar adalah dengan menimbun bawah pasir kering untuk menyingkirkan atmosfer dari pembakaran.
Magnesium juga dapat digunakan sebagai alat penyala untuk termit, campuran aluminium dan bubuk oksida besi yang menyala hanya pada suhu yang sangat tinggi.
Saat terbakar di udara, magnesium menghasilkan cahaya putih cemerlang yang mencakup panjang gelombang ultraviolet yang kuat. Bubuk magnesium (bubuk kilat) digunakan untuk penerangan subjek pada masa-masa awal fotografi. Kemudian, filamen magnesium digunakan pada bola lampu fotografi penggunaan tunggal yang dinyalakan secara elektrik. Bubuk magnesium digunakan dalam kembang api dan suar laut yang memerlukan cahaya putih cemerlang. Magnesium juga digunakan untuk berbagai efek teatrikal, seperti petir, kedipan pistol, dan penampilan supernatural.
Magnesium adalah unsur kedelapan yang paling melimpah di kerak bumi berdasarkan massa dan berada di tempat ketujuh bersama-sama dengan besi berdasarkan molaritas. Ia ditemukan dalam deposit besar magnesit, dolomit, dan mineral lainnya, dan dalam air mineral, yang mengandung ion magnesium terlarut.
Meskipun magnesium ditemukan di lebih dari 60 mineral, hanya dolomit, , , , talk, dan yang memiliki kepentingan komersial.
Kation adalah kation kedua yang paling melimpah di air laut (sekitar ⅛ massa ion natrium dalam sampel tertentu), yang menjadikan air laut dan garam laut sumber komersial Mg yang menarik. Untuk mengekstraksi magnesium, kalsium hidroksida ditambahkan ke air laut untuk membentuk endapan magnesium hidroksida.
Magnesium hidroksida () tidak larut dalam air dan dapat disaring serta direaksikan dengan asam klorida untuk menghasilkan magnesium klorida pekat.
Elektrolisis magnesium klorida menghasilkan magnesium.
Pada tahun 2013, konsumsi paduan magnesium kurang dari satu juta ton per tahun, dibandingkan dengan 50 juta ton paduan aluminium. Penggunaannya telah dibatasi secara historis oleh kecenderungannya mengalami korosi, mengalami rayapan pada suhu tinggi, dan terbakar.
Adanya besi, nikel, tembaga, dan kobalt sangat mengaktifkan korosi. Lebih besar dari persentase yang sangat kecil, logam ini mengendap sebagai senyawa intermetalik, dan daerah pengendapan berfungsi sebagai situs katodik aktif yang mengurangi air, menyebabkan hilangnya magnesium. Pengendalian jumlah logam-logam ini meningkatkan ketahanan terhadap korosi. Jumlah mangan yang cukup dapat mengatasi efek korosif besi. Ini membutuhkan pengendalian komposisi yang tepat, tetapi berdampak meningkatkan biaya. Penambahan racun katodik menangkap hidrogen atomik dalam struktur logam. Hal ini mencegah pembentukan gas hidrogen bebas, faktor penting proses kimia korosi. Penambahan arsenik sekitar satu dalam tiga ratus bagian mengurangi laju korosinya dalam larutan garam dengan faktor hampir sepuluh.
Penelitian menunjukkan bahwa kecenderungan magnesium untuk merayap pada suhu tinggi dapat dieliminasi dengan penambahan skandium dan gadolinium. Kemudahterbakaran sangat berkurang dengan penambahan sejumlah kecil kalsium dalam paduan.
Magnesium membentuk berbagai senyawa yang penting untuk industri dan biologi, termasuk magnesium karbonat, magnesium klorida, magnesium sitrat, magnesium hidroksida (susu magnesia) magnesium oksida, magnesium sulfat, dan magnesium sulfat heptahidrat) (garam Epsom).
Magnesium memiliki tiga isotop stabil: , dan . Kesemuanya hadir dalam jumlah yang signifikan (lihat tabel isotop di atas). Sekitar 79% Mg adalah . Isotop bersifat radioaktif dan pada tahun 1950an sampai 1970an diproduksi oleh beberapa pembangkit listrik tenaga nuklir untuk digunakan dalam percobaan ilmiah. Isotop ini memiliki waktu paruh yang relatif singkat (21 jam) dan penggunaannya dibatasi oleh waktu pengiriman.
Isomer telah menemukan aplikasinya dalam geologi isotopik, serupa dengan aluminium. adalah produk putri radiogenik dari , yang memiliki waktu paruh 717.000 tahun. Jumlah stabil yang melimpah telah diamati pada inklusi kaya Ca-Al dari beberapa meteorit kondrit karbon. Kelimpahan anomali ini disebabkan oleh peluruhan induknya dalam inklusi, dan para peneliti menyimpulkan bahwa meteorit semacam itu terbentuk di nebula surya sebelum meluruh. Ini adalah salah satu objek tertua di tata surya dan berisi informasi yang tersimpan tentang sejarah awalnya.
Merupakan hal biasa untuk memplot / terhadap rasio Al/Mg. Dalam plot penanggalan isokron (), rasio Al/Mg yang diplotkan adalah /. Kemiringan isokron tidak memiliki signifikansi usia, namun mengindikasikan rasio / awal dalam sampel pada saat sistem dipisahkan dari reservoir umum.
Cina merupakan pemasok dominan magnesium, dengan sekitar 80% pangsa pasar dunia. Cina hampir sepenuhnya bergantung pada proses Pidgeon silikotermik (reduksi oksida pada suhu tinggi dengan silikon, yang sering tersedia sebagai paduan ferosilikon di mana besi tersebut hanyalah sebagai spektator dalam reaksi) untuk mendapatkan logam tersebut. Prosesnya juga bisa dilakukan dengan karbon pada suhu sekitar :
Di Amerika Serikat, magnesium diperoleh terutama dengan proses Dow, melalui elektrolisis leburan magnesium klorida dari air asin dan air laut. Larutan garam yang mengandung ion pertama kali diberi perlakuan dengan kapur (kalsium oksida) dan magnesium hidroksida yang mengendap dikumpulkan:
Hidroksidanya kemudian diubah menjadi hidrat parsial dari magnesium klorida dengan memperlakukan hidroksida dengan asam klorida dan pemanasan produknya:
Garamnya kemudian dielektrolisis dalam keadaan cair. Pada katode, ion direduksi menjadi logam magnesium:
Pada anode, masing-masing pasangan ion dioksidasi menjadi gas klor, melepaskan dua elektron untuk menyelesaikan rangkaian listrik:
Sebuah proses baru, teknologi membran oksida padat, melibatkan reduksi elektrolitik MgO. Pada katode, ion direduksi oleh dua elektron menjadi logam magnesium. Elektrolitnya adalah zirkonia yang distabilkan Yttria ("Yttria-stabilized zirconia", YSZ). Anodenya adalah logam cair. Pada YSZ/anode logam cair teroksidasi. Lapisan grafit berbatasan dengan anoda logam cair, dan pada antarmuka ini, karbon dan oksigen bereaksi membentuk karbon monoksida. Bila perak digunakan sebagai anode logam cair, tidak diperlukan reduktor karbon atau hidrogen, dan hanya gas oksigen yang terbentuk pada anode. Telah dilaporkan bahwa metode ini memberikan pengurangan 40% biaya per pon dibandingkan metode reduksi elektrolit. Metode ini lebih ramah lingkungan daripada yang lain karena lebih sedikit karbon dioksida yang dibebaskan.
Amerika Serikat pernah menjadi pemasok utama logam ini, memasok 45% produksi dunia bahkan sampai tahun 1995. Saat ini, pangsa pasar AS hanya 7%, dengan satu produsen dalam negeri yang tersisa, US Magnesium, perusahaan Renco Group di Utah yang didirikan oleh Magcorp (saat ini sudah tutup).
Nama magnesium berasal dari kata Yunani untuk sebuah distrik di Thessaly yang disebut Magnesia. Ini terkait dengan magnetit dan mangan, yang juga berasal dari daerah ini, dan membutuhkan diferensiasi sebagai zat terpisah. Lihat mangan untuk sejarah ini.
Pada tahun 1618, seorang petani di Epsom di Inggris berusaha memberikan air dari sumur di sana. Sapi-sapi tersebut menolak untuk minum karena rasanya pahit, namun petani tersebut menyadari bahwa air tersebut tampaknya dapat menyembuhkan goresan dan ruam. Zat ini menjadi dikenal sebagai garam Epsom dan ketenarannya menyebar. Garam tersebut akhirnya dikenal sebagai magnesium sulfat terhidrasi, ·7.
Logam itu sendiri pertama kali diisolasi oleh Sir Humphry Davy di Inggris pada tahun 1808. Dia menggunakan elektrolisis pada campuran magnesia dan merkuri oksida. Antoine Bussy membuatnya dalam bentuk yang koheren pada tahun 1831. Nama yang diusulkan pertama kali oleh Davy adalah magnium, namun nama yang digunakan sekarang adalah magnesium.
Magnesium adalah logam struktural ketiga yang paling banyak digunakan, setelah besi dan aluminium.
Aplikasi utama magnesium adalah, berturut-turut: paduan aluminium, (dipadu dengan seng), menghilangkan belerang dalam produksi besi dan baja, dan produksi titanium dalam proses Kroll.
Magnesium digunakan dalam bahan dan paduan super kuat berbobot ringan. Misalnya, ketika diinfus dengan nanopartikel silikon karbida, ia memiliki kekuatan spesifik yang sangat tinggi.
Dalam sejarah, magnesium adalah salah satu logam utama konstruksi kedirgantaraan dan digunakan untuk pesawat militer Jerman sejak Perang Dunia I dan secara ekstensif untuk pesawat Jerman pada Perang Dunia II.
Bangsa Jerman menciptakan nama "Elektron" untuk paduan magnesium, sebuah istilah yang masih digunakan sampai sekarang. Dalam industri kedirgantaraan komersial, magnesium pada umumnya terbatas pada komponen yang berhubungan dengan mesin, karena bahaya kebakaran dan korosinya. Saat ini penggunaan paduan magnesium dalam industri dirgantara semakin meningkat, didorong oleh pentingnya penghematan bahan bakar. Pengembangan dan pengujian paduan magnesium baru terus berlanjut, terutama Elektron 21, yang (dalam uji) telah terbukti cocok untuk mesin pesawat udara, internal, dan komponen badan pesawat. Komunitas Eropa menjalankan tiga proyek litbang magnesium dalam "Aerospace priority of Six Framework Program".
Dalam bentuk pita tipis, magnesium digunakan untuk memurnikan pelarut; misalnya pembuatan etanol super kering.Baik AJ62A dan AE44 adalah perkembangan terkini pada paduan magnesium rayapan rendah pada suhu tinggi. Strategi umum untuk paduan semacam itu adalah membentuk endapan pada batas butir, misalnya dengan menambahkan mischmetal atau kalsium. Pengembangan paduan baru dan biaya yang lebih rendah, yang membuat magnesium dapat bersaing dengan aluminium, akan meningkatkan jumlah aplikasinya pada otomotif.
Magnesium banyak digunakan untuk pabrikasi telepon genggam, komputer jinjing dan komputer tablet, kamera, dan komponen elektronika lainnya karena bobotnya yang ringan serta sifat mekanik dan elektriknya yang bagus.
Logam dan paduan magnesium dapat menyebabkan bahaya ledakan, mereka sangat mudah terbakar dalam bentuk murninya ketika dilelehkan atau dalam bentuk serbuk maupun pita. Lelehan atau bakaran magnesium bereaksi hebat dengan air. Ketika bekerja dengan serbuk magnesium, harus menggunakan kacamata pengaman yang dilengkapi dengan pelindung mata dan filter UV (seperti yang digunakan petugas pengelasan) karena magnesium yang terbakar menghasilkan sinar ultraviolet yang dapat merusak retina mata secara permanen.
Magnesium dapat mereduksi air dan melepaskan gas hidrogen yang sangat mudah terbakar:
Oleh karena itu, air tidak dapat memadamkan kebakaran magnesium. Gas hidrogen yang dihasilkan semakin memperhebat api. Pasir kering adalah zat pemadam yang efektif, tetapi hanya untuk kejadian pada permukaan relatif rata.
Magnesium bereaksi eksotermis dengan karbon dioksida membentuk magnesium oksida dan karbon:
Jadi, karbon dioksida lebih bersifat "bahan bakar" daripada memadamkan api.
Magnesium yang terbakar dapat dipadamkan menggunakan pemadam api kimia kering Kelas D, atau dengan menutupi api mengunakan pasir atau fluks pengecoran untuk menyingkirkan sumber udara.
Senyawa magnesium, terutama magnesium oksida (MgO), digunakan sebagai bahan refraktori pada tanur untuk memproduksi besi, baja, , kaca, dan semen. Magnesium oksida dan senyawa magnesium lainnya juga digunakan dalam industri pertanian, kimia, dan konstruksi. Magnesium oksida dari kalsinasi digunakan sebagai isolator listrik dalam .Interaksi penting antara ion fosfat dan magnesium membuat magnesium menjadi esensial untuk kimia asam nukleat pada semua sel organisme hidup yang diketahui. Lebih dari 300 enzim memerlukan ion magnesium untuk aksi katalitiknya, termasuk semua enzim yang menggunakan atau mensintesis ATP dan enzim yang menggunakan nukleotida lainnya untuk mensintesis DNA dan RNA. Molekul ATP normalnya ditemukan sebagai khelat dengan ion magnesium.
Rempah-rempah, kacang-kacangan, sereal, coklat dan sayuran merupakan sumber kaya magnesium. Sayuran berdaun hijau seperti bayam juga kaya magnesium.
Di Inggris, nilai harian yang direkomendasikan untuk magnesium adalah 300 mg untuk pria dan 270 mg untuk wanita. Di A.S. "Recommended Dietary Allowance" (RDA) adalah 400 mg untuk pria berusia 19–30 dan 420 mg untuk yang lebih tua; untuk wanita 310 mg untuk usia 19–30 dan 320 mg untuk yang lebih tua.
Tersedia sejumlah bentuk sediaan farmasi magnesium dan suplemen makanan. Dalam dua percobaan pada manusia, magnesium oksida adalah salah satu bentuk paling umum dalam suplemen diet magnesium karena kandungan magnesium per beratnya tinggi, namun ketersediaan hayatinya lebih rendah daripada magnesium sitrat, klorida, laktat atau aspartat.
Orang dewasa memiliki 22–26 gram magnesium, dengan 60% pada skeleton, 39% intrasel (20% pada otot rangka), dan ekstrasel 1%. Tingkat serum biasanya 0,7–1,0 mmol/L atau 1,8–2,4 mEq/L. Tingkat magnesium serum bisa normal meski magnesium intrasel kurang. Mekanisme untuk mempertahankan tingkat magnesium dalam serum adalah berbagai penyerapan gastrointestinal dan ekskresi renal. Magnesium intrasel berkorelasi dengan kalium intrasel. Peningkatan magnesium menurunkan kalsium dan dapat mencegah hiperkalsemia atau menyebabkan hipokalsemia tergantung pada tingkat awal. Baik kondisi asupan protein rendah maupun tinggi menghambat penyerapan magnesium, begitu pula jumlah fosfat, , dan lemak di usus. Magnesium diet yang tidak terserap diekskresikan melalui feses; magnesium yang diserap diekskresikan melalui urin dan keringat.
Status magnesium dapat diperiksa dengan mengukur konsentrasi magnesium serum dan eritrosit yang digabungkan dengan kandungan magnesium urin dan feses, namun uji magnesium intravena lebih akurat dan praktis. Retensi 20% atau lebih dari jumlah yang disuntikkan menunjukkan defisiensi. Belum ada biomarker untuk magnesium.
Konsentrasi magnesium dalam plasma atau serum dapat digunakan untuk memantau kemanjuran dan keamanan obat terapeutik, untuk mengkonfirmasi diagnosis pada korban keracunan, atau untuk membantu investigasi forensik dalam kasus overdosis fatal. Anak-anak yang baru lahir dari ibu yang menerima magnesium sulfat parenteral selama persalinan mungkin menunjukkan toksisitas dengan kadar magnesium serum normal.
Magnesium plasma rendah (hipomagnesemia) umum terjadi: ditemukan pada 2,5–15% populasi umum. Penyebab utama kekurangan adalah asupan makanan yang rendah: kurang dari 10% orang di Amerika Serikat memenuhi kecukupan diet yang direkomendasikan. Penyebab lainnya adalah peningkatan kehilangan dari ginjal atau usus, peningkatan pergeseran intrasel, dan terapi antasida inhibitor pompa proton. Sebagian besar bersifat asimtomatik, namun gejala yang merujuk pada neuromuskular, kardiovaskular, dan disfungsi metabolik dapat terjadi. Alkoholisme sering dikaitkan dengan defisiensi magnesium. Tingkat magnesium serum yang kronis rendah dikaitkan dengan sindrom metabolik, diabetes melitus tipe 2, fasikulasi, dan hipertensi.
Diurutkan menurut jenis garam magnesium, aplikasi terapeutik lainnya meliputi:
Overdosis dari sumber makanan saja tidak mungkin karena kelebihan magnesium dalam darah segera disaring oleh ginjal, dan overdosis lebih mungkin terjadi dengan adanya gangguan fungsi ginjal. Meskipun demikian, terapi megadosis telah menyebabkan kematian pada anak kecil, dan hipermagnesemia parah pada wanita dan anak perempuan yang memiliki ginjal sehat. Gejala overdosis yang paling umum adalah mual, muntah, dan diare; gejala lainnya meliputi hipotensi, kebingungan, detak jantung dan laju pernafasan melambat, defisiensi mineral lainnya, koma, aritmia jantung, dan kematian akibat serangan jantung.
Tanaman membutuhkan magnesium untuk mensintesis klorofil, esensial untuk fotosintesis. Magnesium di tengah cincin porfirin klorofil analog dengan besi di tengah cincin porfirin heme. Defisiensi magnesium pada tanaman menyebabkan penguningan di antara vena daun, terutama pada daun yang lebih tua, dan dapat disembuhkan dengan penambahan garam Epsom (yang cepat terlindi), atau tumbukan gamping dolomitik, pada tanah.