Magneesium

Magneesium on keemiline element järjenumbriga 12.
Magneesium kuulub kolmandasse perioodi. Tema elektronkonfiguratsioon on [Ne]3s2. Magneesiumi ioonil Mg2+ on sama elektronkonfiguratsioon nagu neoonil, sest kaks 3s-elektroni on ioonil puudu.
Tal on kolm stabiilset isotoopi massiarvudega 24, 25 ja 26 (magneesium-24, magneesium-25 ja magneesium-26). Saadud on ka tehisisotoope.
Suhteline aatommass on 24,305.
Magneesium on "s"-element ning asub teise rühma peaalarühmas. Omadustelt on magneesium metall. Mõnikord arvatakse ta leelismuldmetallide hulka; sel juhul on ta nende seas berülliumi järel teine element.
Metallide elektrokeemilises pingereas on magneesium vesinikust eespool. Tema standardpotentsiaal on –2,372 V.
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.
Mineraalides ja kivimites.
Magneesium kuulub ligikaudu 200 mineraali koostisse. Need on vees raskesti lahustuvad karbonaatsed (eriti dolomiit ja magnesiit), sulfaatsed ja silikaatsed mineraalid (viimaste seas domineerib oliviin) ning oksiidsed, hüdroksiidsed, fosfaatsed, arsenaatsed, boraatsed, nitraatsed ja oksalaatsed mineraalid.
Võrreldavate mõõtmete tõttu saab magneesiumiioon kristallvõres vahetevahel asendada raud(II)-, koobalti-, nikli- ja tsingiiooni.
Ultraaluselistes kivimites sisaldub magneesiumi 35 g/t, aluselistes kivimites 10 g/t ja happelistes kivimites 2 g/t; seda põhjustab eriti oliviini ja pürokseeni sisalduse vähenemine "happelisuse" kasvades.
Magneesium on mitme kivimit moodustava mineraali põhikoostisosa. Peale oliviini ja pürokseeni on ta ka amfiboolide, vilkude, talgi, asbestid ja savimineraalide põhikoostisosa.
Suures kontsentratsioonis on magneesiumi evaporiitides, eriti mineraalides magnesiidis, epsomiidis ja dolomiidis.
Kaltsiumi diageneesis võib lubjakivisetete kaltsium aja jooksul osaliselt asenduda magneesiumiga. Dolomiit on magneesiumi sisaldavatest mineraalidest eriti levinud, kohati suurte mäemassiivide valdava mineraalina. Peaaegu täielikult koosnevad dolomiidist Dolomiidid.
Ka magnesiit on väga levinud.
Seal, kus mere kuivades ladestub kaalisool, leidub ka kainiiti ja kiseriiti.
Suure tehnilise tähtsusega on karnalliit.
Magneesiumi sisaldavate mineraalide seas on:
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.
Magneesium lihtainena.
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, galvaanitakse 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 liitiumiühenditega.
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.
Magneesiumi intermetallilised ühendid ja magneesiumisulamid.
Magneesium moodustab palju intermetallilisi ühendeid, näiteks koostisega MgX2 ja Mg2Z, kus X on näiteks vask, nikkel, tsink või tina ning Z vask, nikkel, elavhõbe või plii.
Magneesiumi sulamites on peale intermetalliliste ühendite eutektilised segud ja tahked lahused. Kõige tähtsam magneesiumisulam on elektron (3–10% alumiiniumi, 0,2–3% tsinki, ülejäänu magneesium).
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.
Magneesium mikroelemendina loomses organismis.
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.
Euroopa Toiduohutusamet soovitab meestele 350 mg ja naistele 300 mg magneesiumi päevas. Lastele vanuses 1–3 aastat on soovituslikuks päevaseks koguseks kehtestatud 170 mg/päevas mõlemale soole. 3–10-aastaste laste soovituslik päevane annus on 230 mg/päevas. Laste puhul vanuses 10–18 aastat on soovituslikuks päevaseks päevaseks koguseks poistele 300 mg ja tüdrukutele 250 mg päevas.
Magneesiumi sisaldavad toiduained.
Tähtsamad magneesiumi allikad on puu- ja köögiviljad (eriti aprikoosid, virsikud, tomatid ja kapsas). Seda saadakse ka teraviljasaadustest, piimast ja lihast.
Rohkesti magneesiumi sisaldavad mandlid (250 mg 100 g kohta), Sojauba (248 mg 100 g kohta), tatar (218 mg 100 g kohta), oad (172 mg 100 g kohta), tume šokolaad (165 mg 100 g kohta) ja 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 ja muid magneesiumiühendeid kasutatakse antatsiididena, näiteks ülihappesuse korral. Ühend läbib seedekulgla peaaegu seedimatuna. Sellepärast manustatakse seda tablettidena suures koguses.
Magneesiumiühendeid kasutatakse ka lahaste tsemendi koostises.
Ajalugu.
Magneesiumiühendeid tunti ammu enne elemendi avastamist. "Magnesia usta" ('põletatud magneesia') nimetusega tunti magneesiumoksiidi, "magnesia alba" ('valge magneesia') nimetusega magneesiumkarbonaati või magneesiumoksiidi ja magneesiumkarbonaadi määramata vahekorras hüdraaditud segu. Nende nimetuste järgi on ka magneesium ise nimetuse saanud. Arvatavasti on "magnesia" nimetuse 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 1840. ja 1850. aastatel 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 naatriumiga. Inglismaal alustas ettevõte Johnson Matthey 1860. aasta paiku magneesiumi tootmist sarnasel menetlusel. Need varajased katsed magneesiumi tööstuslikult toota ei tasunud end majanduslikult ära.