Mg · Elemento 12 · Metallo alcalino-terroso
Il metallo al centro della clorofilla — e quello che brucia con una luce abbastanza intensa da accecare una fotocamera.
Struttura
Non è un diagramma di punti su gusci — è un campione Monte Carlo dell'effettiva densità di probabilità |ψ|² per ogni sottoguscio occupato. Trascinate per ruotare. Il blu e il violetto indicano i segni opposti della funzione d'onda, che rendono possibile la formazione dei legami.
Valori misurati
Ogni barra mostra dove si colloca magnesio tra tutti i 118 elementi per quella proprietà.
Fonti: masse atomiche standard IUPAC 2021 · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST. I valori contrassegnati con ~ sono previsti anziché misurati.
Dimensioni, in scala
Raggio 160 pm — cioè 0,16 nm, quindi ne servirebbero circa 3,13 milioni affiancati per coprire un millimetro.
Intervallo termico
Magnesio è liquido in un intervallo di 440 K, da 923 K a 1363 K.
La storia
Metallo leggero e resistente. Essenziale per la clorofilla e centinaia di enzimi.
La scoperta del Magnesio nel 1808 seguì direttamente lo straordinario successo ottenuto da Humphry Davy con il Sodio e il Potassio l'anno precedente. Forte dei suoi trionfi elettrolitici, che gli avevano procurato fama internazionale, Davy rivolse sistematicamente la sua attenzione ad altri composti dei metalli alcalino-terrosi che avrebbero potuto produrre nuovi elementi metallici. La magnesia alba (ossido di Magnesio), nota fin dall'antichità per le sue proprietà medicinali, divenne il suo obiettivo successivo.
Davy aveva imparato dai suoi esperimenti sul Sodio che l'acqua interferiva con l'elettrolisi, quindi preparò ossido di Magnesio appena inumidito e mescolato con ossido di Mercurio per aumentare la conducibilità. Utilizzando la sua potente batteria composta da 600 piastre, l'apparato elettrico più avanzato della sua epoca, Davy applicò corrente alla miscela il 9 ottobre 1808, esattamente un anno e tre giorni dopo la scoperta del Sodio.
A differenza dello spettacolare successo immediato ottenuto con il Sodio, il Magnesio si dimostrò frustrantemente sfuggente. I primi esperimenti di Davy produssero soltanto minuscole particelle di un amalgama (lega di Mercurio) che sembrava contenere un nuovo metallo, ma l'isolamento del Magnesio puro richiedeva tecniche oltre le capacità dell'inizio del XIX secolo. L'elevata reattività del metallo e la sua forte affinità per l'ossigeno rendevano estremamente difficile la separazione dal Mercurio.
Davy presentò i risultati preliminari alla Royal Society, annunciando di aver «ottenuto prove evidenti dell'esistenza di un nuovo metallo», ma riconobbe la propria incapacità di isolarlo in forma pura. Questa sincera ammissione di un successo parziale dimostrò i rigorosi standard scientifici che resero il lavoro di Davy tanto rispettato in tutta Europa, anche mentre gli eserciti di Napoleone combattevano contro le forze britanniche.
Il primo isolamento del Magnesio metallico puro avvenne nel 1831 grazie al brillante lavoro del chimico francese Antoine Alexandre Brutus Bussy presso l'École Polytechnique di Parigi. Bussy sviluppò un ingegnoso metodo di riduzione chimica, riscaldando cloruro di Magnesio anidro con Potassio metallico in un crogiolo di Platino portato al calor rosso: MgCl₂ + 2K → Mg + 2KCl.
Il successo di Bussy richiese il superamento di molteplici difficoltà tecniche. Doveva preparare cloruro di Magnesio perfettamente anidro (qualsiasi traccia d'acqua avrebbe compromesso la reazione), ottenere Potassio metallico puro (ancora costoso e difficile da produrre) ed eseguire la reazione in un'atmosfera inerte per impedire l'immediata ossidazione del prodotto. La sua apparecchiatura in Platino, sebbene costosa, si dimostrò essenziale per resistere alle alte temperature della reazione.
Michael Faraday, ex assistente di Davy divenuto il principale scienziato della Royal Institution, diede contributi fondamentali alla comprensione delle proprietà del Magnesio negli anni Trenta dell'Ottocento. Faraday utilizzò le leggi dell'elettrolisi da lui recentemente sviluppate per determinare il peso atomico del Magnesio e stabilirne la posizione tra i metalli alcalino-terrosi.
Gli esperimenti sistematici di Faraday rivelarono le straordinarie proprietà del Magnesio: la sua brillante fiamma bianca, la capacità di bruciare nell'anidride carbonica (producendo carbonio e ossido di Magnesio) e il suo forte potere riducente. Queste caratteristiche si sarebbero poi rivelate fondamentali per le applicazioni del Magnesio nella fotografia, nella pirotecnica e nella metallurgia.
La produzione commerciale di Magnesio rimase impraticabile fino al 1886, quando i chimici tedeschi Robert Bunsen e Augustus Matthiessen svilupparono metodi elettrolitici per produrre Magnesio da sali di cloruro fusi. Il loro processo, perfezionato nel corso dei decenni, rese possibile una produzione su larga scala e fece diventare il Magnesio accessibile per le applicazioni industriali.
La Prima guerra mondiale accelerò drasticamente lo sviluppo del Magnesio, poiché le esigenze militari di materiali leggeri e dispositivi incendiari stimolarono l'innovazione. I governi britannico e tedesco investirono ingenti risorse nella capacità produttiva di Magnesio, portando alla realizzazione dei primi componenti aeronautici in lega di Magnesio e alla devastante efficacia delle bombe incendiarie al Magnesio durante il Blitz di Londra.
Forse la scoperta più significativa sul Magnesio avvenne nel 1906, quando il chimico tedesco Richard Willstätter dimostrò che le molecole di clorofilla contengono Magnesio al loro centro. Questa rivelazione spiegò perché le piante private del Magnesio sviluppano clorosi (ingiallimento) e stabilì il ruolo fondamentale del Magnesio nella fotosintesi, il processo che sostiene praticamente tutta la vita sulla Terra.
Il lavoro di Willstätter, che gli valse il Premio Nobel per la Chimica nel 1915, dimostrò che le dimensioni e la carica perfette del Magnesio gli consentono di coordinarsi con l'anello porfirinico della clorofilla, rimanendo al contempo abbastanza labile da permettere i rapidi trasferimenti di elettroni necessari nella fotosintesi. Questa scoperta collegò l'abbondanza cosmica del Magnesio alla chimica fondamentale della vita, mostrando come la nucleosintesi stellare abbia creato gli elementi essenziali per la complessità biologica.
Applicazioni
Le leghe di magnesio hanno rivoluzionato la progettazione aerospaziale grazie all'eccezionale rapporto resistenza-peso: sono il 35% più leggere dell'alluminio, pur mantenendo una resistenza comparabile. La lega AZ91D (9% alluminio, 1% zinco) raggiunge resistenze a trazione di 250 MPa pesando solo 1.81 g/cm³, il che la rende ideale per alloggiamenti dei motori degli aeromobili, carter delle trasmissioni e componenti strutturali.
Gli elicotteri moderni utilizzano ampiamente riduttori e mozzi dei rotori in lega di magnesio, nei quali la riduzione del peso migliora direttamente la capacità di carico utile e l'efficienza dei consumi. L'elicottero Sikorsky UH-60 Black Hawk incorpora oltre 800 libbre di componenti in magnesio, principalmente nell'alloggiamento del riduttore principale. Le applicazioni spaziali comprendono strutture satellitari e componenti di motori a razzo, nei quali ogni grammo è importante per le missioni orbitali.
I produttori automobilistici adottano sempre più la pressofusione del magnesio per blocchi motore, alloggiamenti delle trasmissioni e telai dei sedili, per soddisfare gli standard di efficienza dei consumi. Il motore N52 di BMW incorpora un basamento composito in magnesio e alluminio che riduce il peso del motore di 10 kg rispetto alle alternative in ferro, migliorando il risparmio di carburante del 3-5%.
I volanti in magnesio offrono un migliore assorbimento degli urti e riducono l'affaticamento del conducente durante i viaggi lunghi. La tendenza verso i veicoli elettrici accelera l'adozione del magnesio, poiché i veicoli più leggeri aumentano l'autonomia della batteria. La Model S di Tesla utilizza componenti in magnesio nella struttura di supporto del cruscotto e nei telai dei sedili, contribuendo agli elevati valori di efficienza del veicolo.
L'elettronica di consumo sfrutta le proprietà di schermatura elettromagnetica e le capacità di dissipazione del calore del magnesio. I computer portatili utilizzano alloggiamenti in lega di magnesio che garantiscono una conduzione del calore del 75% migliore rispetto alle alternative in plastica, offrendo al contempo una protezione superiore dalle interferenze elettromagnetiche (EMI) per i componenti sensibili.
Le fotocamere professionali come la serie Canon EOS-1D impiegano corpi in lega di magnesio per garantire durata e tenuta agli agenti atmosferici. L'eccellente lavorabilità del materiale consente di realizzare geometrie complesse per gli attacchi degli obiettivi e i componenti strutturali interni. I produttori di smartphone utilizzano sempre più leghe di magnesio per i telai interni, garantendo integrità strutturale e riducendo al minimo l'impatto del peso sulla durata della batteria.
La combustione bianca e brillante del magnesio (3,100°C) lo rende essenziale per i razzi illuminanti militari, i dispositivi di segnalazione d'emergenza e la polvere per flash fotografici. I razzi di segnalazione marittima in caso di emergenza bruciano miscele di magnesio e stronzio che producono una luce rossa intensa, visibile a chilometri di distanza, mentre i razzi dei seggiolini eiettabili degli aeromobili utilizzano magnesio puro per ottenere la massima intensità luminosa.
Le applicazioni di saldatura termite utilizzano polvere di magnesio come fonte di ignizione per miscele di ossido di ferro e alluminio, raggiungendo temperature sufficienti a saldare i binari ferroviari. La reazione esotermica: 3Mg + Fe₂O₃ → 3MgO + 2Fe genera calore sufficiente a fondere l'acciaio, rendendo possibili le riparazioni sul campo in località remote.
Il magnesio funge da potente agente riducente per la produzione di metalli speciali, tra cui titanio, zirconio, afnio e uranio. Il processo Pidgeon riduce l'ossido di magnesio con ferrosilicio a 1,200°C sotto vuoto, producendo l'80% della fornitura mondiale di magnesio. Questo processo richiede un controllo preciso della temperatura e un'atmosfera inerte per prevenire l'ossidazione.
La produzione di ghisa a grafite sferoidale (ghisa duttile) si basa sull'aggiunta di magnesio per trasformare le lamelle di grafite in noduli sferici, migliorando notevolmente le proprietà meccaniche. L'aggiunta dello 0.03-0.08% di magnesio alla ghisa fusa crea una ghisa duttile con resistenze a trazione superiori a 700 MPa, utilizzata per alberi a gomiti automobilistici, tubi e componenti di macchinari pesanti.
I composti del magnesio svolgono ruoli fondamentali nella produzione farmaceutica e nei trattamenti medici. Lo stearato di magnesio funge da lubrificante nella produzione delle compresse, impedendo agli ingredienti di aderire alle apparecchiature e garantendo al contempo un peso e una velocità di dissoluzione costanti delle compresse. Oltre il 95% delle compresse farmaceutiche contiene stearato di magnesio.
Gli impianti biodegradabili in magnesio rappresentano una tecnologia medica rivoluzionaria per le applicazioni ortopediche. Questi impianti si dissolvono gradualmente nei fluidi corporei, eliminando la necessità di rimozione chirurgica e favorendo al contempo la guarigione ossea. La biocompatibilità del magnesio e le sue proprietà meccaniche simili a quelle dell'osso umano lo rendono ideale per dispositivi di fissazione temporanea, stent e viti chirurgiche.
Da dove proviene
23300 mg/kg della crosta terrestre · più abbondante del 95% degli elementi
Il magnesio è l'ottavo elemento più abbondante nella crosta terrestre, con il 2.3% in peso, e il terzo più abbondante nell'acqua di mare, con 1,290 parti per milione. Questa abbondanza riflette il ruolo del magnesio come componente principale del mantello terrestre, dove i minerali olivina ((Mg,Fe)₂SiO₄) e pirosseno predominano nei 400 chilometri superiori dell'interno del nostro pianeta.
Il gradiente di concentrazione dal nucleo terrestre (praticamente privo di magnesio), attraverso il mantello silicatico (25% di magnesio), fino alle rocce della crosta dimostra come la differenziazione planetaria abbia concentrato gli elementi più leggeri negli strati esterni. Il raggio ionico del magnesio (0.72 Å) e la carica (+2) lo rendono particolarmente adatto al coordinamento ottaedrico nei minerali silicatici.
L'olivina, il minerale contenente magnesio più abbondante, si forma quando i magmi ricchi di magnesio cristallizzano ad alte temperature (1,200-1,800°C). I principali giacimenti di olivina nel complesso di Åheim in Norvegia e a Buck Creek nella Carolina del Nord forniscono fonti di magnesio di grado industriale. Questi giacimenti si sono formati a partire da intrusioni ultramafiche ricche di composizioni del mantello primitivo.
I giacimenti evaporitici rappresentano un'altra fonte cruciale di magnesio, in particolare il bacino di Zechstein sottostante l'Europa settentrionale e il bacino permiano in Texas. Questi giacimenti si sono formati 250 milioni di anni fa, quando bacini marini isolati evaporarono, concentrando cloruro e solfato di magnesio fino a livelli di saturazione. L'estrazione moderna dal Mar Morto e dal Great Salt Lake continua questo processo naturale di concentrazione.
L'acqua di mare contiene 53 milioni di tonnellate di magnesio per chilometro cubo, mantenuti attraverso complessi cicli biogeochimici che coinvolgono l'apporto fluviale, la circolazione idrotermale e l'assorbimento biologico. I sistemi idrotermali delle dorsali medio-oceaniche scambiano continuamente magnesio tra l'acqua di mare e le rocce basaltiche calde, mantenendo le concentrazioni oceaniche di magnesio nel corso del tempo geologico.
Gli organismi marini utilizzano ampiamente il magnesio nei processi di biomineralizzazione. Le alghe coralline e i foraminiferi incorporano il magnesio nelle strutture di carbonato di calcio, creando calcite ad alto contenuto di magnesio che registra la chimica degli oceani antichi. Questi processi biologici rimuovono quantità significative di magnesio dall'acqua di mare, creando al contempo vasti depositi calcarei arricchiti di magnesio.
Il magnesio si forma attraverso la combustione del carbonio nelle stelle massicce (>8 masse solari), quando le temperature del nucleo superano 600 milioni di Kelvin. Il principale percorso di reazione coinvolge la fusione dei nuclei di carbonio-12 per formare neon-20, che successivamente cattura particelle alfa producendo magnesio-24, l'isotopo di magnesio più abbondante (79% del magnesio naturale).
Le supernove di tipo II sintetizzano il magnesio in modo esplosivo attraverso processi di combustione dell'ossigeno, nei quali i nuclei di ossigeno-16 subiscono rapide reazioni di fusione a temperature superiori a 1.5 miliardi di Kelvin. Queste esplosioni stellari disperdono il magnesio nelle galassie, arricchendo il mezzo interstellare da cui si formano le generazioni successive di stelle e pianeti.
Le molecole di clorofilla contengono magnesio al loro centro, rendendo impossibile la fotosintesi senza questo elemento. Ogni molecola di clorofilla coordina uno ione magnesio con quattro atomi di azoto in una struttura ad anello porfirinico, consentendo l'assorbimento della luce a specifiche lunghezze d'onda (430 nm e 662 nm per la clorofilla a).
La fisiologia umana richiede 400-420 mg di magnesio al giorno per oltre 300 reazioni enzimatiche, tra cui la sintesi dell'ATP, la sintesi proteica e la contrazione muscolare. La carenza di magnesio colpisce il 10-30% della popolazione mondiale, causando crampi muscolari, battito cardiaco irregolare e un aumento del rischio di osteoporosi. Le verdure a foglia verde, la frutta secca e i cereali integrali forniscono le fonti alimentari più ricche.
Il processo Pidgeon domina la produzione globale di magnesio e riduce la dolomite (CaMg(CO₃)₂) con ferrosilicio a 1,200°C sotto vuoto: 2MgO + 2CaO + FeSi → 2Mg + Ca₂SiO₄ + Fe. Questo processo, sviluppato in Canada durante la Seconda guerra mondiale, produce l'80% del magnesio metallico mondiale, principalmente in Cina, che rappresenta l'87% della produzione globale.
L'estrazione elettrolitica dall'acqua di mare offre un percorso alternativo, in particolare nelle aree con abbondante elettricità a basso costo. Il processo Dow estrae l'idrossido di magnesio dall'acqua di mare usando calce, quindi lo converte in cloruro di magnesio per l'elettrolisi. Questo approccio rinnovabile potrebbe teoricamente fornire magnesio illimitato, poiché l'acqua di mare ne contiene una quantità sufficiente per oltre 4 miliardi di anni agli attuali tassi di consumo.
Manipolazione
Rischio di incendio estremo: Il magnesio metallico brucia con un'intensa luce bianca a 3,100°C, producendo temperature abbastanza elevate da fondere l'acciaio. Gli incendi di magnesio non possono essere estinti con acqua (che si decompone formando idrogeno esplosivo), anidride carbonica o estintori chimici standard. Utilizzate estintori di classe D contenenti cloruro di sodio, grafite o polveri speciali per l'estinzione degli incendi di magnesio.
Pericoli delle polveri: Il magnesio finemente suddiviso presenta gravi rischi di esplosione, con un'energia minima di accensione di soli 40 millijoule. Le nubi di polvere di magnesio possono esplodere quando le concentrazioni superano 0.02 oz/ft³. Mantenete l'umidità al di sopra del 65% per ridurre l'accumulo di elettricità statica e assicurate una corretta messa a terra di tutte le apparecchiature che manipolano polvere di magnesio.
Febbre da fumi metallici: L'inalazione di fumi di ossido di magnesio causa la febbre da fumi metallici, con sintomi tra cui brividi, febbre, nausea e difficoltà respiratorie che compaiono 4-12 ore dopo l'esposizione. Sebbene non sia permanentemente dannosa, la sintomatologia può persistere per 24-48 ore. Il limite di esposizione consentito dall'OSHA è di 15 mg/m³ per i fumi di ossido di magnesio.
Protezione respiratoria: Utilizzate respiratori approvati dal NIOSH con filtri P100 quando possono essere presenti polvere o fumi di magnesio. Predisponete una ventilazione locale per l'aspirazione, mantenendo velocità di captazione di 100-200 piedi al minuto nei punti di generazione della polvere.
Nutriente essenziale: Gli adulti necessitano di 400-420 mg di magnesio al giorno per un corretto funzionamento fisiologico. I sintomi di carenza includono crampi muscolari, battito cardiaco irregolare, cambiamenti della personalità e aumento del rischio di osteoporosi. Tuttavia, un'integrazione eccessiva (>5,000 mg al giorno) può causare diarrea, nausea e crampi addominali.
Interazioni farmacologiche: Gli integratori di magnesio possono interferire con l'assorbimento degli antibiotici (tetracicline, chinoloni) e possono potenziare gli effetti dei farmaci per la pressione sanguigna. Consultate gli operatori sanitari prima di assumere integratori di magnesio insieme a farmaci soggetti a prescrizione.
Dispositivi di protezione individuale: Occhiali di sicurezza con protezioni laterali, indumenti ignifughi e guanti di cuoio per manipolare il magnesio solido. Evitate i tessuti sintetici, che possono fondere e aderire alla pelle durante incendi improvvisi.
Requisiti di stoccaggio: Conservate il magnesio in ambienti freschi e asciutti, lontano da ossidanti, acidi e fonti d'acqua. Utilizzate contenitori ermetici con essiccanti per la polvere di magnesio. Mantenete le temperature di stoccaggio al di sotto di 30°C per prevenire la combustione spontanea delle polveri fini.
Controllo dell'elettricità statica: Mettete a terra tutte le apparecchiature, utilizzate contenitori conduttivi, mantenete l'umidità relativa al di sopra del 65% ed eliminate le fonti di ignizione durante la manipolazione della polvere di magnesio o la lavorazione delle leghe di magnesio.
Incendi di magnesio: Evacuate immediatamente l'area, chiamate i vigili del fuoco specificando "incendio di magnesio metallico" e non tentate di spegnere l'incendio a meno che non siate addestrati all'uso di agenti estinguenti di classe D appropriati. Lasciate estinguere autonomamente i piccoli incendi, proteggendo i materiali circostanti con barriere termiche.
Contatto con la pelle o con gli occhi: Rimuovete con cautela le particelle di magnesio senza strofinare (per evitare che i frammenti penetrino nella pelle), sciacquate abbondantemente con acqua per 15+ minuti e richiedete assistenza medica per eventuali ustioni o particelle metalliche penetrate. Rimuovete le lenti a contatto se possono essere tolte facilmente.
Esposizione per inalazione: Portate immediatamente la persona colpita all'aria aperta, monitorate l'eventuale comparsa ritardata dei sintomi della febbre da fumi metallici, somministrate ossigeno supplementare se disponibile e richiedete una valutazione medica in caso di esposizioni significative. I sintomi possono non comparire per diverse ore.
Ingestione: Non inducete il vomito. Sciacquate la bocca con acqua, somministrate piccole quantità d'acqua se la persona è cosciente e richiedete immediatamente assistenza medica. Grandi quantità di magnesio metallico possono reagire con l'acido gastrico producendo idrogeno gassoso.
Risposte rapide
Magnesio (simbolo Mg) è l'elemento 12 nella tavola periodica, appartenente a Metallo alcalino-terroso nel periodo 3, gruppo 2. Il metallo al centro della clorofilla — e quello che brucia con una luce abbastanza intensa da accecare una fotocamera. A temperatura ambiente è un solido.
[Ne] 3s², con 3 gusci occupati e la distribuzione 2, 8, 2.Magnesio fonde a 923 K (649.9 °C) ed entra in ebollizione a 1363 K (1089.9 °C).
La massa atomica standard di Magnesio è 24.305 u. Si tratta di una media ponderata dei suoi isotopi presenti in natura, per questo raramente è un numero intero.
Magnesio ha una densità di 1.738 g/cm³. L'acqua ha una densità di 1.0 g/cm³, quindi un blocco di Magnesio è circa 1.7× più pesante.
Magnesio ha un'elettronegatività di Pauling pari a 1.31. La scala va da 0.70 (francio, il meno incline ad attirare elettroni) a 3.98 (fluoro, il più incline). I valori in questa fascia intermedia tendono a formare legami covalenti anziché legami fortemente ionici.
Magnesio è stato scoperto nel 1755 da Joseph Black. Prende il nome da magnesia, una regione della Tessaglia.
Magnesio costituisce informazioni 2.33% della crosta terrestre: è uno degli elementi più abbondanti che esistano.