Magnesium – Magie kim loại

Magie là một nguyên tố hóa học có ký hiệu là Mg và số hiệu nguyên tử 12. Nó là chất rắn màu xám sáng bóng, có cấu tạo vật lý gần giống với 5 nguyên tố khác trong cột thứ hai (nhóm 2, hoặc các kim loại kiềm thổ) của bảng tuần hoàn: các nguyên tố nhóm 2 có cấu hình electron ở lớp vỏ electron ngoài cùng giống nhau và cấu tạo tinh thể giống nhau.

Nguyên tố này được tạo ra trong các ngôi sao lớn, già cỗi từ việc bổ sung tuần tự ba hạt nhân heli vào một hạt nhân carbon. Khi những ngôi sao như vậy phát nổ dưới dạng siêu tân tinh, phần lớn magiê bị đẩy vào môi trường giữa các vì sao, nơi nó có thể tái chế thành các hệ sao mới. Magiê là nguyên tố phổ biến thứ tám trong vỏ Trái đất và là nguyên tố phổ biến thứ tư trên Trái đất (sau sắt, oxy và silic), chiếm 13% khối lượng hành tinh và một phần lớn lớp phủ của hành tinh. Nó là nguyên tố phổ biến thứ ba hòa tan trong nước biển, sau natri và clo.

Magiê chỉ xuất hiện tự nhiên khi kết hợp với các nguyên tố khác, nơi nó luôn có trạng thái ôxy hóa +2. Nguyên tố tự do (kim loại) có thể được sản xuất nhân tạo và có khả năng phản ứng cao (mặc dù trong khí quyển nó sớm được phủ một lớp oxit mỏng ngăn cản một phần khả năng phản ứng – xem sự thụ động). Kim loại tự do cháy với ánh sáng trắng rực rỡ đặc trưng. Kim loại hiện nay chủ yếu thu được bằng cách điện phân muối magiê thu được từ nước muối, và được sử dụng chủ yếu như một thành phần trong hợp kim nhôm-magiê, đôi khi được gọi là magnalium hoặc magneli. Magiê ít đậm đặc hơn nhôm và hợp kim này được đánh giá cao vì sự kết hợp giữa nhẹ và sức mạnh.

Nguyên tố này là nguyên tố phong phú thứ mười một tính theo khối lượng trong cơ thể con người và cần thiết cho tất cả các tế bào và khoảng 300 loại enzym. Các ion magiê tương tác với các hợp chất polyphotphat như ATP, DNA và RNA. Hàng trăm enzym yêu cầu các ion magiê để hoạt động. Các hợp chất magiê được sử dụng trong y tế như thuốc nhuận tràng thông thường, thuốc kháng axit (ví dụ: sữa magie), và để ổn định kích thích thần kinh bất thường hoặc co thắt mạch máu trong các tình trạng như sản giật.

Các tính chất của Magie

Tính chất vật lý

Magie nguyên tố là một kim loại nhẹ màu trắng xám, mật độ bằng hai phần ba so với nhôm. Magie có nhiệt độ nóng chảy thấp nhất (923 K (1.202 ° F)) và nhiệt độ sôi thấp nhất 1.363 K (1.994 ° F) trong tất cả các kim loại kiềm thổ.

Magie đa tinh thể nguyên chất giòn và dễ gãy dọc theo dải cắt. Nó trở nên dẻo hơn nhiều khi được hợp kim hóa với một lượng nhỏ các kim loại khác, chẳng hạn như nhôm 1%. Độ dẻo của magiê đa tinh thể cũng có thể được cải thiện đáng kể bằng cách giảm kích thước hạt của nó xuống ca. 1 micron trở xuống.

Tính chất hóa học

Nó hơi xỉn màu khi tiếp xúc với không khí, mặc dù, không giống như các kim loại kiềm thổ nặng hơn, môi trường không có oxy là không cần thiết để bảo quản vì magiê được bảo vệ bởi một lớp oxit mỏng khá không thấm nước và khó loại bỏ.

Magie phản ứng trực tiếp với không khí hoặc oxy ở áp suất xung quanh chỉ tạo thành oxit “bình thường” MgO. Tuy nhiên, oxit này có thể kết hợp với hydrogen peroxide để tạo thành Magnesium peroxide, MgO2, và ở nhiệt độ thấp, peroxide có thể tiếp tục phản ứng với ozone để tạo thành magie superoxide Mg (O2) 2.

Magiê phản ứng với nước ở nhiệt độ phòng, mặc dù nó phản ứng chậm hơn nhiều so với canxi, một kim loại nhóm 2 tương tự. Khi ngập trong nước, các bong bóng hydro hình thành từ từ trên bề mặt kim loại – tuy nhiên, nếu ở dạng bột, nó phản ứng nhanh hơn nhiều. Phản ứng xảy ra nhanh hơn với nhiệt độ cao hơn (xem các biện pháp phòng ngừa an toàn). Phản ứng thuận nghịch của magiê với nước có thể được khai thác để dự trữ năng lượng và chạy động cơ dựa trên magiê. Magiê cũng phản ứng tỏa nhiệt với hầu hết các axit như axit clohydric (HCl), tạo ra clorua kim loại và khí hydro, tương tự như phản ứng HCl với nhôm, kẽm và nhiều kim loại khác.

Tính dễ cháy

Magiê rất dễ bắt lửa, đặc biệt là khi ở dạng bột hoặc được bào thành các dải mỏng, mặc dù rất khó bắt cháy cả khối lượng lớn. Nhiệt độ ngọn lửa của magiê và hợp kim magiê có thể đạt tới 3.100 ° C (5.610 ° F), [17] mặc dù chiều cao ngọn lửa trên kim loại đang cháy thường nhỏ hơn 300 mm (12 in). Sau khi bắt lửa, những đám cháy như vậy rất khó dập tắt, bởi vì quá trình đốt cháy tiếp tục trong nitơ (tạo thành magie nitrua), carbon dioxide (tạo thành oxit magie và cacbon), và nước (tạo thành oxit magie và hydro, cũng bốc cháy do nhiệt khi có mặt của bổ sung oxy). Tính chất này đã được sử dụng trong vũ khí đốt cháy trong cuộc ném bom các thành phố trong Thế chiến thứ hai, nơi mà cách phòng thủ dân sự thực tế duy nhất là dập tắt ngọn lửa đang cháy dưới cát khô để loại trừ khí quyển khỏi quá trình đốt cháy.

Magiê cũng có thể được sử dụng làm chất đánh lửa cho thermite, một hỗn hợp của nhôm và bột oxit sắt chỉ bốc cháy ở nhiệt độ rất cao

 

 

 

Hóa học hữu cơ

Các hợp chất hữu cơ phổ biến rộng rãi trong hóa học hữu cơ. Chúng thường được tìm thấy dưới dạng thuốc thử Grignard. Magie có thể phản ứng với haloalkanes để tạo ra thuốc thử Grignard. Ví dụ về thuốc thử Grignard là phenylmagnesium bromide và ethylmagnesium bromide. Thuốc thử Grignard hoạt động như một nucleophile thông thường, tấn công nhóm electrophin chẳng hạn như nguyên tử cacbon có trong liên kết phân cực của nhóm cacbonyl.

Thuốc thử magiê hữu cơ nổi bật ngoài thuốc thử Grignard là magiê anthracen với magiê tạo thành cầu 1,4 trên vòng trung tâm. Nó được sử dụng như một nguồn magiê hoạt tính cao. Sản phẩm bổ sung butadien-magie có liên quan đóng vai trò là nguồn cung cấp butadien dianion.

Magiê trong hóa học hữu cơ cũng xuất hiện dưới dạng các hợp chất magiê hóa trị thấp, chủ yếu với magiê tạo thành các ion diatomic ở trạng thái ôxy hóa +1 nhưng gần đây hơn là ở trạng thái ôxy hóa không hoặc hỗn hợp các trạng thái +1 và không. Những hợp chất như vậy được ứng dụng tổng hợp như chất khử và nguồn nguyên tử kim loại ưa nucleophin.

Nguồn ánh sáng

Khi đốt cháy trong không khí, magiê tạo ra ánh sáng trắng rực rỡ bao gồm các bước sóng cực tím mạnh. Bột magiê (bột flash) được sử dụng để chiếu sáng chủ thể trong những ngày đầu của nhiếp ảnh. Sau đó, dây tóc magiê được sử dụng trong các bóng đèn chụp ảnh dùng một lần được đánh lửa bằng điện. Bột magiê được sử dụng trong pháo hoa và pháo sáng hàng hải, nơi cần ánh sáng trắng rực rỡ. Nó cũng được sử dụng cho các hiệu ứng sân khấu khác nhau, chẳng hạn như tia chớp, ánh sáng của súng lục và sự xuất hiện siêu nhiên.

Nguồn gốc lịch sử

Tên magiê bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp để chỉ các địa điểm liên quan đến bộ tộc Magnetes, một huyện ở Thessaly được gọi là Magnesia hoặc Magnesia ad Sipylum, ngày nay thuộc Thổ Nhĩ Kỳ. Nó liên quan đến magnetit và mangan, cũng có nguồn gốc từ khu vực này, và yêu cầu phân biệt thành các chất riêng biệt.

Năm 1618, một nông dân tại Epsom, Anh đã cố gắng cho bò của mình uống nước từ một cái giếng ở đó. Những con bò từ chối uống vì nước có vị đắng, nhưng người nông dân nhận thấy rằng nước dường như chữa lành các vết trầy xước và mẩn ngứa. Chất này được gọi là muối Epsom và sự nổi tiếng của nó ngày càng lan rộng, cuối cùng nó được công nhận là magie sulfat ngậm nước, MgSO4 · 7 H2O.

Bản thân kim loại này lần đầu tiên được phân lập bởi Sir Humphry Davy ở Anh vào năm 1808. Ông sử dụng phương pháp điện phân trên hỗn hợp magnesia và thủy ngân oxit. Antoine Bussy đã điều chế nó ở dạng mạch lạc vào năm 1831. Đề xuất đầu tiên của Davy về một cái tên là phóng đại, nhưng tên magie hiện được sử dụng.

Magie được dùng như là kim loại

Magiê là kim loại cấu trúc được sử dụng phổ biến thứ ba, sau sắt và nhôm Các ứng dụng chính của magiê, theo thứ tự: hợp kim nhôm, đúc khuôn (hợp kim với kẽm), loại bỏ lưu huỳnh trong sản xuất sắt và thép, và sản xuất titan trong quy trình Kroll.

Magiê được sử dụng trong các vật liệu nhẹ và hợp kim. Ví dụ, khi được truyền với các hạt nano cacbua silic, nó có độ bền riêng cực cao.

Trong lịch sử, magiê là một trong những kim loại xây dựng hàng không vũ trụ chính và được sử dụng cho máy bay quân sự của Đức ngay từ Thế chiến thứ nhất và rộng rãi cho máy bay Đức trong Thế chiến thứ hai. Người Đức đặt ra cái tên “Elektron” cho hợp kim magiê, một thuật ngữ vẫn được sử dụng cho đến ngày nay. Trong ngành hàng không vũ trụ thương mại, magiê thường bị hạn chế trong các thành phần liên quan đến động cơ do nguy cơ cháy và ăn mòn. Việc sử dụng hợp kim magiê trong hàng không vũ trụ ngày càng tăng trong thế kỷ 21, do tầm quan trọng của việc tiết kiệm nhiên liệu. Việc phát triển và thử nghiệm các hợp kim magiê mới vẫn tiếp tục, đặc biệt là Elektron 21, hợp kim này (trong thử nghiệm) đã được chứng minh là phù hợp với các thành phần động cơ hàng không, bên trong và khung máy bay. Cộng đồng Châu Âu điều hành ba dự án magiê R&D trong ưu tiên Hàng không vũ trụ của Chương trình FP6. Những phát triển gần đây trong ngành luyện kim và sản xuất đã cho phép hợp kim magiê có tiềm năng hoạt động thay thế cho hợp kim nhôm và thép trong một số ứng dụng nhất định.

Ở dạng dải băng mỏng, magiê được sử dụng để làm sạch dung môi; ví dụ, điều chế etanol siêu khô.

Các ứng dụng

Phi cơ

Wright Aeronautical đã sử dụng một cacte magie trong động cơ hàng không Wright R-3350 Duplex Cyclone thời Thế chiến II. Điều này dẫn đến một vấn đề nghiêm trọng đối với các mẫu máy bay ném bom hạng nặng Boeing B-29 Superfortress đời đầu khi một động cơ trên máy bay bắt lửa đốt cháy cacte động cơ. Quá trình đốt cháy kết quả là nóng tới 5.600 ° F (3.100 ° C) và có thể cắt rời cánh quạt khỏi thân máy bay

Ô tô

Khối động cơ xe máy hợp kim Mg

Mercedes-Benz đã sử dụng hợp kim Elektron trong thân xe của mẫu Mercedes-Benz 300 SLR đời đầu; Những chiếc xe này đã thi đấu tại Giải vô địch xe thể thao thế giới năm 1955, bao gồm cả chiến thắng tại Mille Miglia và tại Le Mans, nơi một chiếc đã tham gia vào thảm họa Le Mans năm 1955 khi khán giả được tắm bằng những mảnh elektron đang cháy.
Porsche đã sử dụng khung hợp kim magiê trong chiếc 917/053 vô địch Le Mans năm 1971, và tiếp tục sử dụng hợp kim magiê cho các khối động cơ của mình do lợi thế về trọng lượng.

Tập đoàn Volkswagen đã sử dụng magiê trong các thành phần động cơ của mình trong nhiều năm.

Mitsubishi Motors sử dụng magiê cho cần số mái chèo.
BMW đã sử dụng các khối hợp kim magiê trong động cơ N52 của họ, bao gồm một miếng chèn hợp kim nhôm cho thành xi-lanh và áo làm mát được bao quanh bởi hợp kim magiê nhiệt độ cao AJ62A. Động cơ đã được sử dụng trên toàn thế giới từ năm 2005 đến năm 2011 với nhiều kiểu máy series 1, 3, 5, 6 và 7; cũng như Z4, X1, X3 và X5.
Chevrolet đã sử dụng hợp kim magiê AE44 trong chiếc Corvette Z06 năm 2006.
Cả AJ62A và AE44 đều là những phát triển gần đây trong hợp kim magiê nhiệt độ cao có độ rão thấp. Chiến lược chung cho các hợp kim như vậy là tạo kết tủa liên kim loại ở ranh giới hạt, ví dụ bằng cách thêm kim loại sai hoặc canxi. Sự phát triển hợp kim mới và chi phí thấp hơn giúp magiê cạnh tranh với nhôm sẽ làm tăng số lượng ứng dụng ô tô.

Thiết bị điện tử

Do mật độ thấp và các đặc tính cơ và điện tốt, magiê được sử dụng để sản xuất điện thoại di động, máy tính xách tay và máy tính bảng, máy ảnh và các linh kiện điện tử khác. Nó được sử dụng như một tính năng cao cấp vì trọng lượng nhẹ trong một số máy tính xách tay năm 2020.

Vai trò sinh học của Magie

Cơ chế hoạt động

Sự tương tác quan trọng giữa các ion photphat và magiê làm cho magiê cần thiết cho quá trình hóa học axit nucleic cơ bản của tất cả các tế bào của tất cả các sinh vật sống đã biết. Hơn 300 enzym yêu cầu các ion magiê cho hoạt động xúc tác của chúng, bao gồm tất cả các enzym sử dụng hoặc tổng hợp ATP và những enzym sử dụng các nucleotide khác để tổng hợp DNA và RNA. Phân tử ATP thường được tìm thấy trong một chelate với một ion magiê.

Dinh dưỡng

Chế độ ăn

Gia vị, các loại hạt, ngũ cốc, ca cao và rau quả là những nguồn giàu magiê. Các loại rau lá xanh như rau bina cũng rất giàu magiê.

Đồ uống giàu magiê là cà phê, trà và ca cao.

Khuyến nghị về chế độ ăn uống
Ở Anh, giá trị khuyến nghị hàng ngày đối với magiê là 300 mg đối với nam giới và 270 mg đối với phụ nữ. Tại Hoa Kỳ, Phụ cấp Chế độ ăn uống Khuyến nghị (RDA) là 400 mg đối với nam giới từ 19–30 tuổi và 420 mg đối với người lớn tuổi; cho phụ nữ 310 mg cho độ tuổi 19–30 và 320 mg cho người lớn tuổi.

Bổ sung

Nhiều chế phẩm dược phẩm bổ sung magiê và chế độ ăn uống có sẵn. Trong hai thử nghiệm ở người, magie oxit, một trong những dạng phổ biến nhất trong thực phẩm bổ sung magie vì hàm lượng magie cao trên mỗi trọng lượng, ít sinh học hơn magie citrat, clorua, lactat hoặc aspartat

Sự trao đổi chất

Cơ thể người trưởng thành có 22–26 gam magiê, với 60% trong khung xương, 39% nội bào (20% trong cơ xương) và 1% ngoại bào. Nồng độ huyết thanh thường là 0,7–1,0 mmol / L hoặc 1,8–2,4 mEq / L. Mức magiê huyết thanh có thể bình thường ngay cả khi thiếu magiê nội bào. Các cơ chế để duy trì mức magiê trong huyết thanh là sự hấp thu và bài tiết qua đường tiêu hóa khác nhau. Magie nội bào tương quan với kali nội bào. Magie tăng làm giảm canxi [68] và có thể ngăn ngừa tăng canxi huyết hoặc gây hạ canxi máu tùy thuộc vào mức độ ban đầu. Cả điều kiện hấp thụ protein thấp và cao đều ức chế sự hấp thụ magiê, cũng như lượng photphat, phytate và chất béo trong ruột. Magiê trong chế độ ăn uống không được hấp thu được bài tiết qua phân; magiê hấp thụ được bài tiết qua nước tiểu và mồ hôi.

Phát hiện trong huyết thanh và huyết tương

Tình trạng magie có thể được đánh giá bằng cách đo nồng độ magie trong huyết thanh và hồng cầu cùng với hàm lượng magie trong nước tiểu và trong phân, nhưng xét nghiệm tải magie qua đường tĩnh mạch là chính xác và thiết thực hơn. Việc giữ lại 20% hoặc nhiều hơn lượng đã tiêm cho thấy sự thiếu hụt. Tính đến năm 2004, không có dấu ấn sinh học nào được thiết lập cho magiê.

Nồng độ magiê trong huyết tương hoặc huyết thanh có thể được theo dõi về hiệu quả và độ an toàn ở những người dùng thuốc để điều trị, để xác định chẩn đoán ở những nạn nhân có khả năng bị ngộ độc, hoặc để hỗ trợ điều tra pháp y trong trường hợp quá liều gây tử vong. Trẻ sơ sinh của những bà mẹ được tiêm magie sulfat trong quá trình chuyển dạ có thể biểu hiện độc tính với nồng độ magie huyết thanh bình thường.

Sự thiếu hụt

Magiê huyết tương thấp (hạ magnesi huyết) là phổ biến: nó được tìm thấy ở 2,5–15% dân số nói chung. Từ năm 2005 đến năm 2006, 48 phần trăm dân số Hoa Kỳ tiêu thụ ít magiê hơn mức khuyến nghị trong Chế độ ăn kiêng tham khảo. Các nguyên nhân khác là tăng mất nước qua thận hoặc đường tiêu hóa, tăng chuyển dịch nội bào và điều trị bằng thuốc kháng acid ức chế bơm proton. Hầu hết không có triệu chứng, nhưng có thể xảy ra các triệu chứng liên quan đến rối loạn chức năng thần kinh cơ, tim mạch và chuyển hóa. Nghiện rượu thường liên quan đến tình trạng thiếu magiê. Nồng độ magiê huyết thanh thấp mãn tính có liên quan đến hội chứng chuyển hóa, đái tháo đường týp 2, rối loạn nhịp tim và tăng huyết áp.

Trị liệu

Magiê tiêm tĩnh mạch được khuyến cáo theo Hướng dẫn ACC / AHA / ESC 2006 về Quản lý Bệnh nhân Rối loạn nhịp thất và Phòng ngừa Đột tử do Tim cho những bệnh nhân loạn nhịp thất liên quan đến xoắn đỉnh có hội chứng QT dài; và để điều trị bệnh nhân loạn nhịp tim do digoxin.

Magnesium sulfate – tiêm tĩnh mạch – được sử dụng để kiểm soát tiền sản giật và sản giật.
Hạ magnesi huyết, bao gồm cả do nghiện rượu, có thể hồi phục bằng cách uống hoặc tiêm magiê tùy thuộc vào mức độ thiếu hụt.
Có rất ít bằng chứng cho thấy việc bổ sung magiê có thể đóng một vai trò trong việc phòng ngừa và điều trị chứng đau nửa đầu.
Được phân loại theo loại muối magiê, các ứng dụng điều trị khác bao gồm:

Magnesium sulfate, như heptahydrate được gọi là muối Epsom, được sử dụng làm muối tắm, thuốc nhuận tràng và một loại phân bón dễ hòa tan.
Magie hydroxit, lơ lửng trong nước, được sử dụng trong sữa của thuốc kháng axit magie và thuốc nhuận tràng.
Magie clorua, oxit, gluconat, malate, orotate, glycinate, ascorbate và citrate đều được sử dụng làm chất bổ sung magiê đường uống.
Magie borat, magie salicylat và magie sulfat được sử dụng làm thuốc sát trùng.
Magie bromua được sử dụng như một loại thuốc an thần nhẹ (tác dụng này là do bromua, không phải magiê).
Magiê stearat là một loại bột màu trắng hơi dễ cháy có đặc tính bôi trơn. Trong công nghệ dược phẩm, nó được sử dụng trong sản xuất dược phẩm để ngăn viên nén dính vào thiết bị trong khi nén các thành phần thành dạng viên nén.
Bột magiê cacbonat được sử dụng bởi các vận động viên như vận động viên thể dục, vận động viên cử tạ và leo núi để loại bỏ mồ hôi lòng bàn tay, chống dính và cải thiện độ bám trên các thiết bị tập thể dục, nâng xà đơn và leo núi.

Quá liều

Quá liều chỉ từ các nguồn thực phẩm là không thể vì magiê dư thừa trong máu được thận lọc kịp thời, và quá liều có nhiều khả năng làm suy giảm chức năng thận. Mặc dù vậy, liệu pháp megadose đã gây ra tử vong ở trẻ nhỏ và tăng magnesi huyết trầm trọng ở một phụ nữ và một bé gái có thận khỏe mạnh. Các triệu chứng phổ biến nhất của quá liều là buồn nôn, nôn mửa và tiêu chảy; các triệu chứng khác bao gồm hạ huyết áp, lú lẫn, nhịp tim và hô hấp chậm lại, thiếu hụt các khoáng chất khác, hôn mê, rối loạn nhịp tim và tử vong do ngừng tim.

Chức năng ở thực vật

Thực vật cần magiê để tổng hợp chất diệp lục, cần thiết cho quá trình quang hợp. Magiê ở trung tâm của vòng porphyrin trong chất diệp lục có chức năng tương tự như sắt ở trung tâm của vòng porphyrin trong heme. Thiếu magiê ở cây trồng gây ra vàng cuối mùa giữa các gân lá, đặc biệt là ở các lá già và có thể được khắc phục bằng cách bón muối epsom (bị rửa trôi nhanh chóng) hoặc đá vôi dolomitic nghiền nhỏ vào đất.