Magnesium

Isotop	NH	t_1/2	ZM	ZE M eV	ZP
²³Mg	{syn.}	11,317 s	ε	4,057	²³Na
²⁴Mg	78,99 %	Mg ist stabil mit 12 Neutronen
²⁵Mg	10 %	Mg ist stabil mit 13 Neutronen
²⁶Mg	11,01 %	Mg ist stabil mit 14 Neutronen
²⁷Mg	{syn.}	9,458 min	β^-	2,610	²⁷Al
²⁸Mg	{syn.}	20,91 h	β^-	1,832	²⁸Al

NMR-Eigenschaften

	²⁵Mg
Kernspin	-5/2
gamma	1,637 · 10⁷ rad/T
Empfindlichkeit	0,00267
Larmorfrequenz bei B = 4,7 T	12,2 M Hz

Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt,
gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Magnesium ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol Mg und der Ordnungszahl 12. Als acht-häufigstes Element ist es zu etwa zwei Prozent am Aufbau der Erdkruste beteiligt.

Inhaltsverzeichnis

4.1 Metallisches Magnesium
4.2 Magnesiumverbindungen

Geschichte

Die Herkunft der Elementbezeichnung wird in der Literatur unterschiedlich dargestellt:

von altgriech. μαγνητις λυθος in der Bedeutung Magnetstein
von Magnesia (Griechenland), einem Gebiet im östlichen Griechenland
von Magnesia, einer Stadt in Kleinasien, auf dem Gebiet der heutigen Türkei.

1755 erkannte Joseph Black in England Magnesium als ein Element. 1808 isolierte Sir Humphry Davy reines Metall durch Elekrolyse einer Mischung aus Magnesia und Quecksilberoxid. AA Bussy stellte es 1831 in massiver Form dar.

Vorkommen

Magnesium kommt natürlich nicht in elementarer Form vor, als Verbindungen überwiegen Carbonate, Silicate, Chloride und Sulfate. Es ist ein sehr häufig vorkommendes Element, bestehen doch ganze Gebirgszüge wie die Dolomiten aus einem magnesiumhaltigen Mineral, dem Dolomit.

In Wässern ist es ebenfalls meistens vorhanden und verursacht zusammen mit dem Calcium die Härte des Wassers. Im Meerwasser ist es mit mehr als 1 kg/m³ enthalten.

Mineralien

Dolomit CaMg(CO₃)₂
Magnesit (Bitterspat) MgCO₃
Enstatit MgSiO₃
Olivin (Mg, Fe)₂ [SiO₄]
Serpentin Mg₃[Si₂O₅] (OH)₄
Talk Mg₃[Si₄O₁₀] (OH)₂
Meerschaum Mg₄[Si₆O₁₅] (OH)₂
Kieserit MgSO₄ * H₂O
Schönit K₂Mg(SO₄)₂ * 6 H₂O
Carnallit KMgCl₃ * 6 H₂O
Spinell MgAl₂O₄

Eigenschaften

Das feste, silbrig-glänzende Leichtmetall Magnesium, das circa ein Drittel leichter als Aluminium ist, überzieht sich an Luft mit einer schützenden Oxidhaut, in Wasser mit einer schwerlöslichen Magnesiumhydroxidschicht, welche bei höheren Temperaturen aber unbeständig ist. Schwache Säuren und Ammoniumsalze greifen die Hydroxidschicht ebenfalls an. Gegen Fluorwasserstoffsäure und Alkalien ist es im Gegensatz zum Aluminium relativ beständig. Frisch hergestelltes Magnesiumpulver erwärmt sich an der Luft bis zur Selbstentzündung. Dünnes Band oder Folien lassen sich leicht entzünden. Es verbrennt mit einer grellweißen Flamme zu Magnesiumoxid MgO und Magnesiumnitrid Mg₃N₂. Auch in vielen Oxiden wie Kohlenmonoxid, Stickoxid und Schwefeldioxid verbrennt Magnesium.

Verwendung

Metallisches Magnesium

Reines Magnesium hat technisch wenig Bedeutung. Magnesiumband und -draht wird in (Foto-)Blitzbirnen, beziehungsweise früher als Blitzlichtpulver verwendet, Magnesiumpulver in Brandsätzen, -bomben und Leuchtmunition, aber auch als Zusatz in Feuersteinen für Feuerzeuge. In der Metallurgie dient es als vielseitiges Reduktionsmittel :

Kroll-Prozess zur Herstellung von Titan
Reduktionsmittel zur Herstellung von Uran, Kupfer, Nickel, Chrom und Zirconium
Magnesiumpellets zur Entschwefelung von Eisen und Stahl
Zuschlagstoff für Kugelgrafitguss

In der organischen Chemie wird es zur Herstellung von Grignard-Verbindungen genutzt.

Werkstofftechnisch sind Mg-Al-, Mg-Mn-, Mg-Si-, Mg-Zn- und vor allem Mg-Al-Zn-Legierungen von Bedeutung. Wichtigste Anwendung ist aber wohl die Härtung von Aluminiumlegierungen durch einen Mg-Zusatz bis zu fünf Prozent. Zusätzlich verbessert sich die Schweißbarkeit. Sie finden Anwendung als Verpackungsmaterial, zum Beispiel in Getränkedosen.

In den letzten Jahrzehnten hat man wegen der möglichen Gewichtseinsparung versucht, Aluminium durch Magnesium zu ersetzen. Bei gleicher Belastbarkeit sind Bauteile aus Magnesiumlegierungen leichter als solche aus Kunststoff. Das machte Magnesium schon früh für mobile Anwendungen interessant. 1909 stellte man Anwendungen auf einer Luftschiffausstellung vor. In Kraftfahrzeugen nutzte man Magnesiumlegierungen zur Herstellung von Gehäuseteilen sowie zur Herstellung von Felgen für Großfahrzeuge. Ab den 1930ern verwendete man sie massiv im deutschen Flugzeugbau. Die möglichen Gewichtseinsparungen, gerade im Flugmotorenbau, führten zu einem schnellen Ausbau der Magnesiumgewinnung in den USA Anfang der 1940er. Heute werden auch Fahrgestelle und Rumpfteile von Flugzeugen und Fahrradteile aus Magnesiumlegierungen hergestellt.

Die Motoren des VW-Käfers bestanden aus Mg-Si-Legierungen. Heute werden im Maschinenbau überwiegend Mg-Al-Zn-Legierungen verwendet. Durch Druckgiessen lassen sich viele Bauteile endabmessungsnah und ohne kostenintensive Nachbearbeitung herstellen:

Felgen
Profile
Gehäuse
Motorhauben
Motordeckel
Handbremshebel

Teile des 3-Liter-Lupos und zunehmend Teile anderer Automarken werden aus Magnesiumlegierungen gefertigt.

Magnesiumlegierungen zeichnen sich durch hohe Dämpfung aus. Dies führt bei Schwingungsbelastung zu einer Verringerung der Vibration und Geräuschemission. Auch aus diesem Grund sind Magnesiumlegierungen interessante Werkstoffe.

Magnesiumverbindungen

Totgebranntes Magnesiumoxid zur Auskleidung von Hochtemperaturanlagen wie Schmelzöfen, Gießpfannen und so weiter
Magnesia (Magnesiumcarbonat) zur Verbesserung des Griffs durch Aufsaugen des Schweißes im Bereich des Turnens, Gewichthebens und der Leichtathletik

Medizinische Anwendungen

Magnesiumhydroxid zur Bindung von überschüssiger Magensäure.

Physiologie

Magnesium ist als Mineralstoff für Mensch, Tier und Pflanze essentiell (lebenswichtig). Im Blattgrün der Pflanzen (Chlorophyll) ist es etwa zu zwei Prozent enthalten. Magnesiummangel löst beim Menschen Krämpfe aus. Auch kann es zum Herzinfarkt kommen. Pflanzen verwelken bei Magnesiummangel.

Die erforderliche Tagesdosis von ca. 300mg/d wird in der Regel durch eine ausgewogene Ernährung mit Vollkornbrot, Nüssen, Gemüse (Blattspinat, Kohlrabi) erreicht. Erhöhter Bedarf kann über Nahrungsergänzungsmittel gedeckt werden. Gefahr von Magnesiummangel besteht bspw.:
- bei kohlehydratarmer Ernährung oder Diäten,
- in der Schwangerschaft und Stillzeit
- in der Wachstumsphase bei Jugendlichen,
- bei Alkoholmissbrauch,
- bei Stress,
- bei Sportlern,
- bei Abführmittelmißbrauch, Erbrechen, oder bei langanhaltendem Durchfall.
Wichtig bei der Zufuhr von Magnesiumpräparaten als Tabletten, Kau- oder Lutschtabletten, Granulat oder Injektionslösungen ist die Dosierung. Verschiedene Studien (z.B.:J.Clin.Invest. 88 (1991) 396-402) kommen zu dem Ergebnis, dass bei einer Einnahme von 120 mg noch ca. 35% resorbiert werden, jedoch die Resorption bei Einnahme einer kompletten Tagesdosis von 360 mg auf ca. 18% absinkt.

Herstellung

Die Herstellung von Magnesium erfolgt vorwiegend über zwei Wege:

Schmelzelektrolyse von geschmolzenem Magnesiumchlorid in DOW-Zellen.
Sie bestehen aus großen eisernen Trögen, die von unten beheizt werden. Als Anoden dienen von oben eingelassene Graphitstäbe, die an den Spitzen von einer ringförmigen Kathode umgeben sind. Das metallische Magnesium sammelt sich auf der Salzschmelze und wird abgeschöpft. Das entstehende Chlorgas sammelt sich im oberen Teil der Zelle und wird wieder verwendet zur Herstellung von Magnesiumchlorid aus Magnesiumoxid. Zur Schmelzpunkterniedrigung des Magnesiumchlorids wird der Salzschmelze noch Calcium- und Natriumchlorid zugesetzt.

Thermische Reduktion von Magnesiumoxid (Pidgeon Prozess)
In einem Behälter aus Chrom-Nickel-Stahl wird gebrannter Dolomit, Schwerspat und ein Reduktionsmittel wie Ferrosilicium, Koks oder Calciumcarbid eingefüllt. Anschließend wird evakuiert (Abpumpen des Gases) und auf 1160°C erhitzt. Das dampfförmige Magnesium kondensiert am wassergekühlten Kopfstutzen außerhalb des Ofens. Das chargenweise gewonnene Magnesium wird durch Vakuumdestillation weiter gereinigt.

Der Pidgeon Prozess sowie einige andere Herstellverfahren spielen eine untergeordnete Rolle.

Verbindungen

Vorsichtsmaßnahmen

Magnesiumschmelzen und Magnesiumpulver sind leicht brennbar. Mit Luft und Wasser reagieren sie sehr heftig.
Magnesiumbrände dürfen nicht mit Wasser gelöscht werden. Im Allgemeinen wird Sand oder Erde empfohlen.