Mg · Élément 12 · Métal alcalino-terreux
Le métal au centre de la chlorophylle — et celui qui brûle avec une lumière assez vive pour aveugler un appareil photo.
Structure
Il ne s’agit pas d’un diagramme de points sur des anneaux — mais d’un échantillon de Monte-Carlo de la véritable densité de probabilité |ψ|² pour chaque sous-couche occupée. Faites glisser pour faire pivoter. Le bleu et le violet indiquent les signes opposés de la fonction d’onde, ce qui rend la liaison possible.
Valeurs mesurées
Chaque barre indique où se situe magnésium parmi les 118 éléments pour cette propriété.
Sources : masses atomiques standard de l’IUPAC 2021 · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST. Les valeurs marquées ~ sont prédites plutôt que mesurées.
Taille, à l’échelle
Rayon de 160 pm — soit 0,16 nm ; il en faudrait donc environ 3,13 millions côte à côte pour couvrir un millimètre.
Plage thermique
Magnésium est liquide dans une plage de 440 K, de 923 K à 1363 K.
Où il se trouve
L’histoire
Métal léger et résistant. Essentiel à la chlorophylle et à des centaines d’enzymes.
La découverte du magnésium en 1808 découla directement du succès révolutionnaire de Humphry Davy avec le sodium et le potassium l’année précédente. Fort de ses triomphes électrolytiques qui lui avaient valu une renommée internationale, Davy s’intéressa systématiquement à d’autres composés de métaux alcalino-terreux susceptibles de produire de nouveaux éléments métalliques. La magnesia alba (oxyde de magnésium), connue depuis l’Antiquité pour ses propriétés médicinales, devint sa prochaine cible.
Davy avait appris de ses expériences sur le sodium que l’eau interférait avec l’électrolyse. Il prépara donc de l’oxyde de magnésium à peine humidifié, mélangé à de l’oxyde de mercure pour augmenter la conductivité. À l’aide de sa puissante pile de 600 plaques — l’appareil électrique le plus avancé de son époque — Davy appliqua un courant au mélange le 9 octobre 1808, exactement un an et trois jours après la découverte du sodium.
Contrairement au succès spectaculaire et immédiat obtenu avec le sodium, le magnésium se révéla désespérément difficile à isoler. Les premières expériences de Davy ne produisirent que de minuscules particules d’un amalgame (alliage de mercure) qui semblait contenir un nouveau métal, mais l’isolement du magnésium pur exigeait des techniques dépassant les capacités du début du XIXe siècle. La forte réactivité du métal et sa grande affinité pour l’oxygène rendaient sa séparation du mercure extrêmement difficile.
Davy présenta ses résultats préliminaires à la Royal Society, annonçant qu’il avait « obtenu des preuves distinctes de l’existence d’un nouveau métal », tout en reconnaissant son incapacité à l’isoler sous forme pure. Cet aveu honnête d’un succès partiel démontrait les rigoureuses normes scientifiques qui rendaient le travail de Davy si respecté dans toute l’Europe, alors même que les armées de Napoléon affrontaient les forces britanniques.
Le premier isolement du magnésium métallique pur eut lieu en 1831, grâce au travail remarquable du chimiste français Antoine Alexandre Brutus Bussy à l’École Polytechnique de Paris. Bussy mit au point une ingénieuse méthode de réduction chimique, consistant à chauffer du chlorure de magnésium anhydre avec du potassium métallique dans un creuset de platine à température élevée : MgCl₂ + 2K → Mg + 2KCl.
La réussite de Bussy nécessita de surmonter plusieurs difficultés techniques. Il devait préparer du chlorure de magnésium parfaitement anhydre (la moindre présence d’eau aurait compromis la réaction), obtenir du potassium métallique pur (encore coûteux et difficile à produire) et réaliser la réaction sous atmosphère inerte afin d’empêcher l’oxydation immédiate du produit. Son matériel en platine, bien que coûteux, se révéla essentiel pour résister aux températures élevées de la réaction.
Michael Faraday, ancien assistant de Davy devenu le principal scientifique de la Royal Institution, apporta des contributions essentielles à la compréhension des propriétés du magnésium dans les années 1830. Faraday utilisa ses lois de l’électrolyse, qu’il venait de mettre au point, pour déterminer la masse atomique du magnésium et établir sa place parmi les métaux alcalino-terreux.
Les expériences systématiques de Faraday révélèrent les remarquables propriétés du magnésium : sa flamme blanche éclatante, sa capacité à brûler dans le dioxyde de carbone (en produisant du carbone et de l’oxyde de magnésium) et son fort pouvoir réducteur. Ces caractéristiques se révéleraient plus tard essentielles aux applications du magnésium en photographie, en pyrotechnie et en métallurgie.
La production commerciale de magnésium resta impraticable jusqu’en 1886, lorsque les chimistes allemands Robert Bunsen et Augustus Matthiessen mirent au point des méthodes électrolytiques permettant de produire du magnésium à partir de sels de chlorure fondus. Leur procédé, perfectionné au fil des décennies, permit une production à grande échelle qui rendit le magnésium abordable pour les applications industrielles.
La Première Guerre mondiale accéléra considérablement le développement du magnésium, les besoins militaires en matériaux légers et en dispositifs incendiaires stimulant l’innovation. Les gouvernements britannique et allemand investirent massivement dans les capacités de production de magnésium, ce qui conduisit aux premiers composants aéronautiques en alliage de magnésium et à l’efficacité dévastatrice des bombes incendiaires au magnésium pendant le Blitz de Londres.
La découverte la plus profonde concernant le magnésium eut peut-être lieu en 1906, lorsque le chimiste allemand Richard Willstätter démontra que les molécules de chlorophylle contiennent du magnésium en leur centre. Cette révélation expliqua pourquoi les plantes privées de magnésium développent une chlorose (jaunissement) et établit le rôle fondamental du magnésium dans la photosynthèse — le processus qui permet la survie de presque toute vie sur Terre.
Les travaux de Willstätter, qui lui valurent le prix Nobel de chimie en 1915, démontrèrent que la taille et la charge parfaitement adaptées du magnésium lui permettent de se coordonner avec le cycle porphyrinique de la chlorophylle tout en restant suffisamment labile pour les transferts rapides d’électrons requis par la photosynthèse. Cette découverte relia l’abondance cosmique du magnésium à la chimie fondamentale de la vie, montrant comment la nucléosynthèse stellaire a créé les éléments essentiels à la complexité biologique.
Applications
Les alliages de magnésium ont révolutionné la conception aérospatiale grâce à leur rapport résistance-poids exceptionnel : ils sont 35% plus légers que l’aluminium tout en conservant une résistance comparable. L’alliage AZ91D (9% d’aluminium, 1% de zinc) atteint des résistances à la traction de 250 MPa pour une masse volumique de seulement 1.81 g/cm³, ce qui le rend idéal pour les carters de moteurs d’avion, les carters de transmission et les composants structuraux.
Les hélicoptères modernes utilisent largement des boîtes de vitesses et des moyeux de rotor en alliage de magnésium, pour lesquels la réduction de poids améliore directement la capacité d’emport et le rendement énergétique. L’hélicoptère Sikorsky UH-60 Black Hawk contient plus de 800 livres de composants en magnésium, principalement dans le carter de la boîte de vitesses principale. Les applications spatiales comprennent les structures de satellites et les composants de moteurs-fusées, pour lesquels chaque gramme compte lors des missions orbitales.
Les constructeurs automobiles adoptent de plus en plus la coulée sous pression du magnésium pour les blocs moteurs, les carters de transmission et les armatures de sièges afin de respecter les normes d’efficacité énergétique. Le moteur N52 de BMW intègre un carter composite magnésium-aluminium qui réduit la masse du moteur de 10 kg par rapport aux solutions en fer, améliorant la consommation de carburant de 3-5%.
Les volants en magnésium absorbent mieux les chocs et réduisent la fatigue du conducteur pendant les longs trajets. La tendance vers les véhicules électriques accélère l’adoption du magnésium, car des véhicules plus légers offrent une plus grande autonomie. Le Model S de Tesla utilise des composants en magnésium dans la structure de support du tableau de bord et les armatures de sièges, contribuant aux remarquables indices d’efficacité du véhicule.
Les appareils électroniques grand public tirent parti des propriétés de blindage électromagnétique et des capacités de dissipation thermique du magnésium. Les ordinateurs portables utilisent des boîtiers en alliage de magnésium qui assurent une conduction thermique 75% supérieure à celle des solutions en plastique, tout en offrant une meilleure protection contre les interférences électromagnétiques (EMI) des composants sensibles.
Les appareils photo professionnels, comme ceux de la série Canon EOS-1D, utilisent des boîtiers en alliage de magnésium pour leur durabilité et leur étanchéité aux intempéries. L’excellente usinabilité du matériau permet de réaliser des géométries complexes pour les montures d’objectif et les composants structuraux internes. Les fabricants de smartphones utilisent de plus en plus des alliages de magnésium pour les châssis internes, assurant l’intégrité structurelle tout en réduisant au minimum l’impact du poids sur l’autonomie de la batterie.
La combustion d’un blanc éclatant du magnésium (3,100°C) le rend essentiel pour les fusées éclairantes militaires, les dispositifs de signalisation d’urgence et les poudres éclair photographiques. Les fusées de détresse maritimes brûlent des mélanges de magnésium et de strontium qui produisent une lumière rouge intense visible à des kilomètres, tandis que les fusées des sièges éjectables d’avion utilisent du magnésium pur pour une intensité lumineuse maximale.
Les applications de soudage par aluminothermie utilisent la poudre de magnésium comme source d’allumage pour les mélanges d’oxyde de fer et d’aluminium, atteignant des températures suffisantes pour souder les voies ferrées. La réaction exothermique : 3Mg + Fe₂O₃ → 3MgO + 2Fe génère suffisamment de chaleur pour faire fondre l’acier, ce qui permet des réparations sur site dans des lieux isolés.
Le magnésium sert d’agent réducteur puissant pour produire des métaux spéciaux, notamment le titane, le zirconium, le hafnium et l’uranium. Le procédé Pidgeon réduit l’oxyde de magnésium avec du ferrosilicium à 1,200°C sous vide, produisant 80% de l’approvisionnement mondial en magnésium. Ce procédé exige un contrôle précis de la température et une atmosphère inerte pour empêcher l’oxydation.
La production de fonte à graphite sphéroïdal (fonte ductile) repose sur l’ajout de magnésium pour transformer les lamelles de graphite en nodules sphériques, améliorant considérablement les propriétés mécaniques. L’ajout de 0.03-0.08% de magnésium à la fonte liquide produit une fonte ductile dont la résistance à la traction dépasse 700 MPa, utilisée pour les vilebrequins automobiles, les conduites et les composants de machines lourdes.
Les composés du magnésium jouent un rôle crucial dans la fabrication pharmaceutique et les traitements médicaux. Le stéarate de magnésium sert de lubrifiant lors de la fabrication des comprimés, empêchant les ingrédients d’adhérer aux équipements tout en garantissant une masse constante des comprimés et des vitesses de dissolution régulières. Plus de 95% des comprimés pharmaceutiques contiennent du stéarate de magnésium.
Les implants biodégradables en magnésium représentent une technologie médicale révolutionnaire pour les applications orthopédiques. Ces implants se dissolvent progressivement dans les fluides corporels, éliminant la nécessité d’une ablation chirurgicale tout en favorisant la guérison osseuse. La biocompatibilité du magnésium et ses propriétés mécaniques similaires à celles de l’os humain le rendent idéal pour les dispositifs de fixation temporaires, les stents et les vis chirurgicales.
D’où il vient
23300 mg/kg de la croûte terrestre · plus abondant que 95 % des éléments
Le Magnésium est le huitième élément le plus abondant de la croûte terrestre, avec 2.3% en masse, et le troisième élément le plus abondant dans l’eau de mer, avec 1,290 parties par million. Cette abondance reflète le rôle du magnésium comme composant principal du manteau terrestre, où les minéraux olivine ((Mg,Fe)₂SiO₄) et pyroxène dominent les 400 kilomètres supérieurs de l’intérieur de notre planète.
Le gradient de concentration, du noyau terrestre (pratiquement dépourvu de magnésium) au travers du manteau silicaté (25% de magnésium) jusqu’aux roches de la croûte, montre comment la différenciation planétaire a concentré les éléments plus légers dans les couches externes. Le rayon ionique du magnésium (0.72 Å) et sa charge (+2) le rendent particulièrement adapté à la coordination octaédrique dans les minéraux silicatés.
L’olivine, le minéral contenant du magnésium le plus abondant, se forme lorsque des magmas riches en magnésium cristallisent à des températures élevées (1,200-1,800°C). Les principaux gisements d’olivine du complexe d’Åheim, en Norvège, et de Buck Creek, en Caroline du Nord, fournissent des sources de magnésium de qualité industrielle. Ces gisements se sont formés à partir d’intrusions ultramafiques riches en compositions du manteau primitif.
Les gisements d’évaporites représentent une autre source essentielle de magnésium, notamment le bassin de Zechstein sous l’Europe du Nord et le bassin permien au Texas. Ces gisements se sont formés il y a 250 millions d’années, lorsque des bassins marins isolés se sont évaporés, concentrant le chlorure et le sulfate de magnésium jusqu’à des niveaux de saturation. L’extraction moderne à partir de la mer Morte et du Grand Lac Salé poursuit ce processus naturel de concentration.
L’eau de mer contient 53 millions de tonnes de magnésium par kilomètre cube, quantité maintenue par des cycles biogéochimiques complexes impliquant les apports fluviaux, la circulation hydrothermale et l’absorption biologique. Les systèmes hydrothermaux des dorsales médio-océaniques échangent continuellement le magnésium entre l’eau de mer et les roches basaltiques chaudes, maintenant les concentrations océaniques de magnésium au cours des temps géologiques.
Les organismes marins utilisent largement le magnésium dans les processus de biominéralisation. Les algues corallines et les foraminifères incorporent le magnésium dans des structures de carbonate de calcium, créant une calcite riche en magnésium qui conserve la trace de la chimie des océans anciens. Ces processus biologiques retirent une quantité importante de magnésium de l’eau de mer tout en créant de vastes gisements calcaires enrichis en magnésium.
Le magnésium se forme par combustion du carbone dans les étoiles massives (>8 masses solaires), lorsque la température du cœur dépasse 600 millions de Kelvin. La principale voie réactionnelle implique la fusion de noyaux de carbone-12 pour former du néon-20, qui capture ensuite des particules alpha afin de produire du magnésium-24, l’isotope du magnésium le plus abondant (79% du magnésium naturel).
Les supernovas de type II synthétisent le magnésium de manière explosive par des processus de combustion de l’oxygène, au cours desquels des noyaux d’oxygène-16 subissent des réactions de fusion rapides à des températures dépassant 1.5 milliard de Kelvin. Ces explosions stellaires dispersent le magnésium dans les galaxies, enrichissant le milieu interstellaire qui forme les générations suivantes d’étoiles et de planètes.
Les molécules de chlorophylle contiennent du magnésium en leur centre, ce qui rend la photosynthèse impossible sans cet élément. Chaque molécule de chlorophylle coordonne un ion magnésium avec quatre atomes d’azote dans une structure en anneau porphyrinique, permettant l’absorption de la lumière à des longueurs d’onde spécifiques (430 nm et 662 nm pour la chlorophylle a).
La physiologie humaine nécessite 400-420 mg de magnésium par jour pour plus de 300 réactions enzymatiques, notamment la synthèse de l’ATP, la synthèse des protéines et la contraction musculaire. La carence en magnésium touche 10-30% de la population mondiale, provoquant des crampes musculaires, des troubles du rythme cardiaque et un risque accru d’ostéoporose. Les légumes à feuilles vertes, les noix et les céréales complètes constituent les sources alimentaires les plus riches.
Le procédé Pidgeon domine la production mondiale de magnésium. Il réduit la dolomite (CaMg(CO₃)₂) avec du ferrosilicium à 1,200°C sous vide : 2MgO + 2CaO + FeSi → 2Mg + Ca₂SiO₄ + Fe. Mis au point au Canada pendant la Seconde Guerre mondiale, ce procédé produit 80% du magnésium métallique mondial, principalement en Chine, qui représente 87% de la production mondiale.
L’extraction électrolytique à partir de l’eau de mer constitue une autre voie, particulièrement dans les régions disposant d’une électricité abondante et bon marché. Le procédé Dow extrait l’hydroxyde de magnésium de l’eau de mer à l’aide de chaux, puis le transforme en chlorure de magnésium destiné à l’électrolyse. Cette approche renouvelable pourrait théoriquement fournir une quantité illimitée de magnésium, puisque l’eau de mer en contient plus de 4 milliards d’années de réserves aux taux de consommation actuels.
Manipulation
Risque d’incendie extrême : Le magnésium métallique brûle avec une lumière blanche intense à 3,100°C, en produisant des températures suffisamment élevées pour faire fondre l’acier. Les incendies de magnésium ne peuvent pas être éteints avec de l’eau (qui se décompose pour former de l’hydrogène explosif), du dioxyde de carbone ou des extincteurs chimiques standard. Utilisez des extincteurs de classe D contenant du chlorure de sodium, du graphite ou des poudres spécialisées d’extinction des feux de magnésium.
Risques liés aux poudres : Le magnésium finement divisé présente de graves risques d’explosion, avec une énergie minimale d’inflammation de seulement 40 millijoules. Les nuages de poussière de magnésium peuvent exploser lorsque les concentrations dépassent 0.02 oz/ft³. Maintenez l’humidité au-dessus de 65% pour réduire l’accumulation d’électricité statique et assurez une mise à la terre correcte de tous les équipements manipulant de la poudre de magnésium.
Fièvre des métaux : L’inhalation de fumées d’oxyde de magnésium provoque une fièvre des métaux, avec des symptômes tels que frissons, fièvre, nausées et difficultés respiratoires apparaissant 4-12 heures après l’exposition. Bien qu’ils ne soient pas nocifs de manière permanente, les symptômes peuvent persister pendant 24-48 heures. La limite d’exposition admissible de l’OSHA est de 15 mg/m³ pour les fumées d’oxyde de magnésium.
Protection respiratoire : Utilisez des appareils respiratoires homologués par le NIOSH avec des filtres P100 lorsque de la poussière ou des fumées de magnésium peuvent être présentes. Prévoyez une ventilation locale par aspiration maintenant des vitesses de captage de 100-200 pieds par minute aux points de génération de poussière.
Nutriment essentiel : Les adultes ont besoin de 400-420 mg de magnésium par jour pour assurer un fonctionnement physiologique normal. Les symptômes de carence comprennent les crampes musculaires, les troubles du rythme cardiaque, les changements de personnalité et un risque accru d’ostéoporose. Toutefois, une supplémentation excessive (>5,000 mg par jour) peut provoquer diarrhées, nausées et crampes abdominales.
Interactions médicamenteuses : Les compléments de magnésium peuvent perturber l’absorption des antibiotiques (tétracyclines, quinolones) et peuvent renforcer les effets des médicaments contre l’hypertension. Consultez des professionnels de santé avant de prendre des compléments de magnésium avec des médicaments sur ordonnance.
Équipement de protection individuelle : Portez des lunettes de sécurité avec protections latérales, des vêtements ignifugés et des gants en cuir pour manipuler le magnésium solide. Évitez les tissus synthétiques qui peuvent fondre et adhérer à la peau lors de feux éclair.
Exigences de stockage : Stockez le magnésium dans des locaux frais et secs, à l’écart des oxydants, des acides et des sources d’eau. Utilisez des récipients hermétiques avec des dessiccants pour la poudre de magnésium. Maintenez les températures de stockage en dessous de 30°C afin d’empêcher la combustion spontanée des poudres fines.
Contrôle de l’électricité statique : Mettez tous les équipements à la terre, utilisez des récipients conducteurs, maintenez l’humidité relative au-dessus de 65% et éliminez les sources d’inflammation lors de la manipulation de poudre de magnésium ou de l’usinage d’alliages de magnésium.
Incendies de magnésium : Évacuez immédiatement la zone, appelez les pompiers en précisant « incendie de magnésium métallique » et n’essayez pas d’éteindre le feu, sauf si vous êtes formé à l’utilisation d’agents extincteurs de classe D appropriés. Laissez les petits feux s’éteindre d’eux-mêmes tout en protégeant les matériaux environnants avec des barrières thermiques.
Contact avec la peau ou les yeux : Retirez soigneusement les particules de magnésium sans frotter (pour éviter l’incrustation de fragments), rincez abondamment à l’eau pendant 15+ minutes et consultez un médecin en cas de brûlures ou de particules métalliques incrustées. Retirez les lentilles de contact si elles peuvent l’être facilement.
Exposition par inhalation : Transportez immédiatement la victime à l’air frais, surveillez l’apparition retardée des symptômes de la fièvre des métaux, administrez de l’oxygène supplémentaire si disponible et demandez une évaluation médicale en cas d’exposition importante. Les symptômes peuvent ne pas apparaître avant plusieurs heures.
Ingestion : Ne provoquez pas de vomissements. Rincez la bouche avec de l’eau, donnez de petites quantités d’eau si la personne est consciente et consultez immédiatement un médecin. De grandes quantités de magnésium métallique peuvent réagir avec l’acide gastrique en produisant de l’hydrogène gazeux.
Réponses rapides
Magnésium (symbole Mg) est l’élément 12 du tableau périodique, un Métal alcalino-terreux de la période 3, du groupe 2. Le métal au centre de la chlorophylle — et celui qui brûle avec une lumière assez vive pour aveugler un appareil photo. À température ambiante, c’est un solide.
[Ne] 3s² ; elle comporte 3 couches occupées, avec la répartition 2, 8, 2.Magnésium fond à 923 K (649.9 °C) et bout à 1363 K (1089.9 °C).
La masse atomique standard de Magnésium est de 24.305 u. Il s’agit d’une moyenne pondérée de ses isotopes présents naturellement, ce qui explique qu’elle soit rarement un nombre entier.
Magnésium a une masse volumique de 1.738 g/cm³. L’eau a une masse volumique de 1.0 g/cm³ ; un bloc de Magnésium est donc environ 1.7× plus lourd.
Magnésium a une électronégativité de Pauling de 1.31. L’échelle va de 0.70 (le francium, le moins attiré par les électrons) à 3.98 (le fluor, le plus attiré). Les valeurs de cette plage intermédiaire tendent à former des liaisons covalentes plutôt que des liaisons fortement ioniques.
Magnésium a été découvert en 1755 par Joseph Black. Il porte le nom de magnésie, une région de Thessalie.
Magnésium constitue environ 2.33 % de la croûte terrestre — c’est l’un des éléments les plus abondants qui soient.