MAGNÉSIUM: HISTOIRE, STRUCTURE, PROPRIÉTÉS, RÉACTIONS, UTILISATIONS - CHIMIE - 2024

Le magnésium est un métal alcalino-terreux appartenant au groupe 2 du tableau périodique. Son numéro atomique est 12 et il est représenté par le symbole chimique Mg. C'est le huitième élément le plus abondant de la croûte terrestre, soit environ 2,5% de celui-ci.

Ce métal, comme ses congénères et métaux alcalins, ne se trouve pas dans la nature à son état natif, mais se combine avec d'autres éléments pour former de nombreux composés présents dans les roches, l'eau de mer et la saumure.

Objets du quotidien en magnésium. Source: Firetwister de Wikipedia.

Le magnésium fait partie de minéraux tels que la dolomite (carbonate de calcium et de magnésium), la magnésite (carbonate de magnésium), la carnalite (chlorure de magnésium et de potassium hexahydraté), la brucite (hydroxyde de magnésium) et dans les silicates tels que le talc et olivine.

Sa source naturelle la plus riche en raison de son extension est la mer, qui a une abondance de 0,13%, bien que le Grand Lac Salé (1,1%) et la mer Morte (3,4%) aient une concentration plus élevée de magnésium. Il existe des saumures à haute teneur, qui sont concentrées par évaporation.

Le nom de magnésium dérive probablement de la magnésite, trouvée en Magnésie, dans la région de Thessalie, ancienne région de Grèce. Cependant, il a été souligné que la magnétite et le manganèse ont été trouvés dans la même région.

Le magnésium réagit fortement avec l'oxygène à des températures supérieures à 645 ° C. Pendant ce temps, la poudre de magnésium brûle à l'air sec, émettant une lumière blanche intense. Pour cette raison, il a été utilisé comme source de lumière en photographie. Actuellement, cette propriété est encore utilisée en pyrotechnie.

C'est un élément essentiel pour les êtres vivants. Il est connu pour être un cofacteur pour plus de 300 enzymes, dont plusieurs enzymes de glycolyse. C'est un processus vital pour les êtres vivants en raison de sa relation avec la production d'ATP, principale source d'énergie cellulaire.

De même, il fait partie d'un complexe similaire au groupe hème de l'hémoglobine, présent dans la chlorophylle. C'est un pigment qui participe à la réalisation de la photosynthèse.

L'histoire

Reconnaissance

Joseph Black, un chimiste écossais, l'a reconnu en 1755 comme un élément, montrant expérimentalement qu'il était différent du calcium, un métal avec lequel ils l'ont confondu.

À cet égard, Black a écrit: "Nous voyons déjà par expérience que la magnésie alba (carbonate de magnésium) est un composé d'une terre particulière et de l'air fixe."

Isolement

En 1808, Sir Humprey Davy réussit à l'isoler par électrolyse pour produire un amalgame de magnésium et de mercure. Il a fait cela en électrolysant son sel sulfate humide avec l'utilisation de mercure comme cathode. Par la suite, il a évaporé le mercure du malgam par chauffage, laissant le résidu de magnésium.

A. Bussy, un scientifique français, a réussi à produire le premier magnésium métallique en 1833. Pour ce faire, Bussy a produit la réduction du chlorure de magnésium fondu avec du potassium métallique.

En 1833, le scientifique britannique Michael Faraday a utilisé pour la première fois l'électrolyse du chlorure de magnésium pour l'isolement de ce métal.

Production

En 1886, la société allemande Aluminium und Magnesiumfabrik Hemelingen a utilisé l'électrolyse de la carnalite fondue (MgCl ₂ · KCl · 6H ₂ O) pour produire du magnésium.

Hemelingen, en partenariat avec le complexe industriel de Farbe (IG Farben), a réussi à développer une technique permettant de produire de grandes quantités de chlorure de magnésium fondu pour l'électrolyse pour la production de magnésium et de chlore.

Pendant la Seconde Guerre mondiale, la Dow Chemical Company (États-Unis) et Magnesium Elektron LTD (Royaume-Uni) ont commencé la réduction électrolytique de l'eau de mer; pompé de Galveston Bay, Texas et de la mer du Nord à Hartlepool, en Angleterre, pour la production de magnésium.

Parallèlement, l'Ontario (Canada) crée une technique de production basée sur le procédé LM Pidgeon. La technique consiste en la réduction thermique de l'oxyde de magnésium avec des silicates dans des cornues à cuisson externe.

Structure et configuration électronique du magnésium

Le magnésium cristallise dans une structure hexagonale compacte, où chacun de ses atomes est entouré de douze voisins. Cela le rend plus dense que d'autres métaux, tels que le lithium ou le sodium.

Sa configuration électronique est 3s ², avec deux électrons de valence et dix de la coque interne. En ayant un électron supplémentaire par rapport au sodium, sa liaison métallique devient plus forte.

C'est parce que l'atome est plus petit et que son noyau a un autre proton; ils exercent donc un plus grand effet d'attraction sur les électrons des atomes voisins, ce qui contracte les distances entre eux. De plus, comme il y a deux électrons, la bande 3s résultante est pleine et elle est capable de ressentir encore plus l'attraction des noyaux.

Ensuite, les atomes de Mg finissent par déposer un cristal hexagonal dense avec une forte liaison métallique. Ceci explique son point de fusion beaucoup plus élevé (650 ºC) que celui du sodium (98 ºC).

Toutes les orbitales 3 de tous les atomes et leurs douze voisins se chevauchent dans toutes les directions à l'intérieur du cristal, et les deux électrons partent lorsque deux autres viennent; ainsi de suite, sans que les cations Mg ²⁺ puissent provenir.

Numéros d'oxydation

Le magnésium peut perdre deux électrons lorsqu'il forme des composés et rester sous forme de cation Mg ²⁺, qui est isoélectronique par rapport au néon de gaz rare. Lorsque l'on considère sa présence dans n'importe quel composé, l'indice d'oxydation du magnésium est de +2.

En revanche, et bien que moins courant, le cation Mg ⁺ peut se former, qui n'a perdu qu'un de ses deux électrons et est isoélectronique au sodium. Lorsque sa présence est supposée dans un composé, on dit que le magnésium a un indice d'oxydation de +1.

Propriétés

Apparence physique

Solide blanc brillant à l'état pur, avant oxydation ou réaction à l'air humide.

Masse atomique

24,304 g / mol.

Point de fusion

650 ° C

Point d'ébullition

1 091 ° C

Densité

1,738 g / cm ³ à température ambiante. Y 1,584 g / cm ³ à la température de fusion; c'est-à-dire que la phase liquide est moins dense que la phase solide, comme c'est le cas avec la grande majorité des composés ou substances.

Température de fusion

848 kJ / mol.

Chaleur de vaporisation

128 kJ / mol.

Capacité calorique molaire

24,869 J / (mol.K).

La pression de vapeur

À 701 K: 1 Pa; c'est-à-dire que sa pression de vapeur est très faible.

Electronégativité

1,31 sur l'échelle de Pauling.

Énergie d'ionisation

Premier niveau d'ionisation: 1737,2 kJ / mol (Mg ⁺ gaz)

Deuxième niveau d'ionisation: 1450,7 kJ / mol (gaz Mg ²⁺, et nécessite moins d'énergie)

Troisième niveau d'ionisation: 7 732,7 kJ / mol (gaz Mg ³⁺, et nécessite beaucoup d'énergie).

Radio atomique

160 pm.

Rayon covalent

141 ± 17 heures

Volume atomique

13,97 cm ³ / mol.

Dilatation thermique

24,8 µm / m · K à 25 ° C

Conductivité thermique

156 W / m K.

Résistivité électrique

43,9 nΩ · m à 20 ° C

Conductivité électrique

22,4 × 10 ⁶ S cm ³.

Dureté

2,5 sur l'échelle de Mohs.

Nomenclature

Le magnésium métallique n'a pas d'autres noms attribués. Ses composés, puisqu'on considère qu'ils ont majoritairement un indice d'oxydation de +2, sont mentionnés en utilisant la nomenclature de base sans qu'il soit nécessaire d'exprimer ledit nombre entre parenthèses.

Par exemple, MgO est l'oxyde de magnésium et non l'oxyde de magnésium (II). Selon la nomenclature systématique, le composé précédent est: le monoxyde de magnésium et non le monoxyde de monomagnésium.

Du côté de la nomenclature traditionnelle, la même chose se produit avec la nomenclature des stocks: les noms des composés se terminent de la même manière; c'est-à-dire avec le suffixe –ico. Ainsi, MgO est de l'oxyde de magnésium, selon cette nomenclature.

Sinon, les autres composés peuvent ou non avoir des noms communs ou minéralogiques, ou être constitués de molécules organiques (composés organomagnésiens), dont la nomenclature dépend de la structure moléculaire et des substituants alkyle (R) ou aryle (Ar).

Concernant les composés organomagnésiens, la quasi-totalité d'entre eux sont des réactifs de Grignard de formule générale RMgX. Par exemple, BrMgCH ₃ est le bromure de méthylmagnésium. A noter que la nomenclature ne semble pas si compliquée lors d'un premier contact.

Formes

Alliages

Le magnésium est utilisé dans les alliages car il s'agit d'un métal léger, principalement utilisé dans les alliages avec l'aluminium, ce qui améliore les caractéristiques mécaniques de ce métal. Il a également été utilisé dans des alliages avec du fer.

Cependant, son utilisation dans les alliages a diminué en raison de sa tendance à se corroder à des températures élevées.

Minéraux et composés

En raison de sa réactivité, il ne se trouve pas dans la croûte terrestre sous sa forme native ou élémentaire. Il fait plutôt partie de nombreux composés chimiques, eux-mêmes situés dans environ 60 minéraux connus.

Parmi les minéraux les plus courants du magnésium, on trouve:

-Dolomite, un carbonate de calcium et de magnésium, MgCO ₃ CaCO ₃

-Magnésite, un carbonate de magnésium, CaCO ₃

-Brucite, un hydroxyde de magnésium, Mg (OH) ₂

-carnalite, un chlorure de magnésium et de potassium, MgCl ₂ · KCl · H ₂ O.

En outre, il peut se présenter sous la forme d'autres minéraux tels que:

-Kieserite, un sulfate de magnésium, MgSO ₄ H ₂ O

-Forstérite, un silicate de magnésium, MgSiO ₄

-Chrisotyle ou amiante, un autre silicate de magnésium, Mg ₃ Si ₂ O ₅ (OH) ₄

-Talc, Mg ₃ Si ₁₄ O ₁₁₀ (OH) ₂.

Les isotopes

Le magnésium se trouve dans la nature sous forme de combinaison de trois isotopes naturels: ²⁴ mg, avec une abondance de 79%; ²⁵ mg, avec une abondance de 11%; et ²⁶ Mg, avec une abondance de 10%. En outre, il existe 19 isotopes radioactifs artificiels.

Rôle biologique

Glycolyse

Le magnésium est un élément essentiel pour tous les êtres vivants. Les humains ont un apport quotidien de 300 à 400 mg de magnésium. Son contenu corporel est compris entre 22 et 26 g, chez un être humain adulte, concentré principalement dans le squelette osseux (60%).

La glycolyse est une séquence de réactions dans laquelle le glucose est transformé en acide pyruvique, avec une production nette de 2 molécules d'ATP. La pyruvate kinase, l'hexokinase et la phosphofruct kinase sont des enzymes, entre autres, de glycolyse qui utilisent le Mg comme activateur.

ADN

L'ADN est composé de deux chaînes nucléotidiques qui ont des groupes phosphate chargés négativement dans leur structure; par conséquent, les brins d'ADN subissent une répulsion électrostatique. Les ions Na ⁺, K ⁺ et Mg ²⁺ neutralisent les charges négatives, empêchant la dissociation des chaînes.

ATP

La molécule d'ATP a des groupes phosphate avec des atomes d'oxygène chargés négativement. Une répulsion électrique se produit entre des atomes d'oxygène voisins qui pourraient cliver la molécule d'ATP.

Cela ne se produit pas car le magnésium interagit avec les atomes d'oxygène voisins, formant un chélate. L'ATP-Mg serait la forme active de l'ATP.

Photosynthèse

Le magnésium est essentiel à la photosynthèse, un processus central dans l'utilisation de l'énergie par les plantes. Il fait partie de la chlorophylle, qui a à l'intérieur une structure similaire au groupe hème de l'hémoglobine; mais avec un atome de magnésium au centre au lieu d'un atome de fer.

La chlorophylle absorbe l'énergie lumineuse et l'utilise dans la photosynthèse pour convertir le dioxyde de carbone et l'eau en glucose et en oxygène. Le glucose et l'oxygène sont utilisés plus tard dans la production d'énergie.

Organisme

Une diminution de la concentration plasmatique de magnésium est associée à des spasmes musculaires; les maladies cardiovasculaires, telles que l'hypertension; diabète, ostéoporose et autres maladies.

L'ion magnésium est impliqué dans la régulation du fonctionnement des canaux calciques dans les cellules nerveuses. À des concentrations élevées, il bloque le canal calcique. Au contraire, une diminution du calcium produit une activation du nerf en permettant au calcium de pénétrer dans les cellules.

Cela expliquerait le spasme et la contraction des cellules musculaires dans les parois des principaux vaisseaux sanguins.

Où trouver et produire

Le magnésium ne se trouve pas dans la nature à l'état élémentaire, mais fait partie d'environ 60 minéraux et de nombreux composés, situés dans la mer, les roches et les saumures.

La mer a une concentration de magnésium de 0,13%. En raison de sa taille, la mer est le principal réservoir de magnésium au monde. Les autres réservoirs de magnésium sont le Great Salt Lake (USA), avec une concentration de magnésium de 1,1%, et la Mer Morte, avec une concentration de 3,4%.

Les minéraux de magnésium, la dolomite et la magnésite sont extraits de ses veines en utilisant des méthodes d'extraction traditionnelles. Pendant ce temps, des solutions de carnalite sont utilisées qui permettent aux autres sels de remonter à la surface, en gardant la carnalite en arrière-plan.

Les saumures contenant du magnésium sont concentrées dans des étangs grâce au chauffage solaire.

Le magnésium est obtenu par deux méthodes: l'électrolyse et la réduction thermique (procédé Pidgeon).

Électrolyse

Des sels fondus contenant soit du chlorure de magnésium anhydre, du chlorure de magnésium anhydre partiellement déshydraté, soit la carnalite minérale anhydre sont utilisés dans les procédés d'électrolyse. Dans certaines circonstances, pour éviter la contamination de la carnalite naturelle, celle artificielle est utilisée.

Le chlorure de magnésium peut également être obtenu en suivant la procédure conçue par la société Dow. L'eau est mélangée dans un floculateur avec la dolomie minérale légèrement calcinée.

Le chlorure de magnésium présent dans le mélange est transformé en Mg (OH) ₂ par addition d'hydroxyde de calcium, selon la réaction suivante:

MgCl ₂ + Ca (OH) ₂ → Mg (OH) ₂ + CaCl ₂

L'hydroxyde de magnésium précipité est traité avec de l'acide chlorhydrique, produisant du chlorure de magnésium et de l'eau, selon la réaction chimique décrite:

Mg (OH) ₂ + 2 HCl → MgCl ₂ + 2 H ₂ O

Ensuite, le chlorure de magnésium est soumis à un processus de déshydratation jusqu'à atteindre 25% d'hydratation, complétant la déshydratation pendant le processus de fusion. L'électrolyse est réalisée à une température variant entre 680 et 750 ºC.

MgCl ₂ → Mg + Cl ₂

Le chlore diatomique est généré à l'anode et le magnésium fondu flotte au sommet des sels, où il est collecté.

Réduction thermique

Cristaux de magnésium déposés à partir de ses vapeurs. Source: Warut Roonguthai Dans le procédé Pidgeon, la dolomie broyée et calcinée est mélangée avec du ferrosilicium finement broyé et placée dans des cornues cylindriques en nickel-chrome-fer. Les cornues sont placées à l'intérieur d'un four et sont en série avec des condenseurs situés à l'extérieur du four.

La réaction se produit à une température de 1200 ° C et une basse pression de 13 Pa. Les cristaux de magnésium sont retirés des condenseurs. Le laitier produit est collecté au fond des cornues.

2 CaO + 2 MgO + Si → 2 Mg (gazeux) + Ca ₂ SiO ₄ (laitier)

Les oxydes de calcium et de magnésium sont produits par la calcination des carbonates de calcium et de magnésium présents dans la dolomite.

Réactions

Le magnésium réagit vigoureusement avec les acides, en particulier les oxydes. Sa réaction avec l'acide nitrique produit du nitrate de magnésium, Mg (NO ₃) ₂. De la même manière, il réagit avec l'acide chlorhydrique pour produire du chlorure de magnésium et de l'hydrogène gazeux.

Le magnésium ne réagit pas avec les alcalis, tels que l'hydroxyde de sodium. À température ambiante, il est recouvert d'une couche d'oxyde de magnésium, insoluble dans l'eau, qui le protège de la corrosion.

Il forme des composés chimiques, entre autres éléments, avec le chlore, l'oxygène, l'azote et le soufre. Il est très réactif avec l'oxygène à des températures élevées.

Applications

- Magnésium élémentaire

Alliages

Les alliages de magnésium ont été utilisés dans les avions et les automobiles. Ces derniers ont pour exigence pour la maîtrise des émissions de gaz polluants, une réduction du poids des véhicules automobiles.

Les applications du magnésium sont basées sur son faible poids, sa haute résistance et sa facilité de fabrication d'alliages. Les applications incluent les outils à main, les articles de sport, les appareils photo, les appareils électroménagers, les cadres de bagages, les pièces automobiles, les articles pour l'industrie aérospatiale.

Les alliages de magnésium sont également utilisés dans la fabrication d'avions, de fusées et de satellites spatiaux, ainsi que dans la photogravure pour réaliser une gravure rapide et contrôlée.

Métallurgie

Le magnésium est ajouté en petite quantité à la fonte blanche, ce qui améliore sa résistance et sa malléabilité. De plus, du magnésium mélangé à de la chaux est injecté dans la fonte liquide de haut fourneau, améliorant les propriétés mécaniques de l'acier.

Le magnésium est impliqué dans la production de titane, d'uranium et d'hafnium. Il agit comme réducteur sur le tétrachlorure de titane, dans le procédé Kroll, pour donner naissance au titane.

Électrochimie

Le magnésium est utilisé dans une cellule sèche, agissant comme anode et le chlorure d'argent comme cathode. Lorsque le magnésium entre en contact électrique avec l'acier en présence d'eau, il se corrode de manière sacrificielle, laissant l'acier intact.

Ce type de protection en acier est présent dans les navires, les réservoirs de stockage, les chauffe-eau, les structures de ponts, etc.

Pyrotechnie

Le magnésium en poudre ou en bande brûle, émettant une lumière blanche très intense. Cette propriété a été utilisée dans la pyrotechnie militaire pour allumer des feux ou allumer par des fusées éclairantes.

Son solide finement divisé a été utilisé comme composant de carburant, en particulier dans les propulseurs de fusée solide.

- Composés

Carbonate de magnésium

Il est utilisé comme isolant thermique pour les chaudières et les tuyaux. Comme il est hygroscopique et soluble dans l'eau, il est utilisé pour empêcher le sel ordinaire de se compacter dans les salières et de ne pas s'écouler correctement pendant l'assaisonnement des aliments.

L'hydroxyde de magnésium

Il a une application comme ignifuge. Dissous dans l'eau, il forme le fameux lait de magnésie, une suspension blanchâtre qui a été utilisée comme antiacide et laxatif.

Chlorure de magnésium

Il est utilisé dans la fabrication de ciment de sol à haute résistance, ainsi que comme additif dans la fabrication de textiles. De plus, il est utilisé comme floculant dans le lait de soja pour la production de tofu.

L'oxyde de magnésium

Il est utilisé dans la fabrication de briques réfractaires pour résister à des températures élevées et comme isolant thermique et électrique. Il est également utilisé comme laxatif et antiacide.

Sulfate de magnesium

Il est utilisé industriellement pour fabriquer du ciment et des engrais, du tannage et de la teinture. C'est aussi un desséchant. Le sel d'Epsom, MgSO ₄ · 7H ₂ O, est utilisé comme purgatif.

- Minéraux

poudre de talc

Il est considéré comme le standard de dureté le moins élevé (1) sur l'échelle de Mohs. Il sert de charge dans la fabrication du papier et du carton, ainsi que la prévention des irritations et de l'hydratation de la peau. Il est utilisé dans la fabrication de matériaux résistants à la chaleur et comme base de nombreuses poudres utilisées en cosmétique.

Chrysotile ou amiante

Il a été utilisé comme isolant thermique et dans l'industrie de la construction pour la fabrication de plafonds. Actuellement, il n'est pas utilisé en raison de ses fibres cancéreuses du poumon.

Références

1. Mathews, CK, van Holde, KE et Ahern, KG (2002). Biochimie. 3 ^était Edition. Éditorial Pearson Educación, SA
2. Wikipédia. (2019). Magnésium. Récupéré de: en.wikipedia.org
3. Clark J. (2012). Collage métallique. Récupéré de: chemguide.co.uk
4. Coque AW (1917). La structure cristalline du magnésium. Actes de l'Académie nationale des sciences des États-Unis d'Amérique, 3 (7), 470–473. doi: 10.1073 / pnas.3.7.470
5. Timothy P. Hanusa. (7 février 2019). Magnésium. Encyclopædia Britannica. Récupéré de: britannica.com
6. Hangzhou LookChem Network Technology Co. (2008). Magnésium. Récupéré de: lookchem.com