Mg · Element 12 · Alkaline earth metals
The metal at the centre of chlorophyll — and the one that burns with a light bright enough to blind a camera.
Struttura
Non è un diagramma di punti su anelli, ma un campionamento Monte Carlo della densità di probabilità effettiva |ψ|² per ogni sottolivello occupato. Trascinate per ruotare. Il blu e il viola indicano segni opposti della funzione d'onda, rendendo possibile il legame.
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 da ~ sono predetti anziché misurati.
Dimensioni, in scala
Radius 160 pm — that is 0.16 nm, so about 3125 million of them side by side would span a millimetre.
Intervallo termico
Magnesio is liquid over a 440 K window, from 923 K to 1363 K.
La storia
Metallo leggero e resistente. Essenziale per la clorofilla e centinaia di enzimi.
La scoperta del magnesio nel 1808 fu una conseguenza diretta dello straordinario successo ottenuto da Humphry Davy con il sodio e il potassio l'anno precedente. Forte dei suoi trionfi nell'elettrolisi, che gli avevano procurato fama internazionale, Davy prese sistematicamente di mira altri composti dei metalli alcalino-terrosi che avrebbero potuto fornire 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 con il sodio che l'acqua interferiva con l'elettrolisi, così preparò ossido di magnesio appena inumidito e mescolato con ossido di mercurio per aumentare la conduttività. Utilizzando la sua potente batteria da 600 piastre, l'apparato elettrico più avanzato dell'epoca, Davy applicò corrente alla miscela il 9 ottobre 1808, esattamente un anno e tre giorni dopo la scoperta del sodio.
A differenza del successo immediato e spettacolare ottenuto con il sodio, il magnesio si dimostrò frustrantemente sfuggente. I primi esperimenti di Davy produssero soltanto minuscole particelle di un amalgama (una lega di mercurio) che sembrava contenere un nuovo metallo, ma l'isolamento del magnesio puro richiedeva tecniche che andavano 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 a temperatura elevata: MgCl₂ + 2K → Mg + 2KCl.
Il successo di Bussy richiese il superamento di molteplici difficoltà tecniche. Dovette 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'ossidazione immediata del prodotto. Le sue apparecchiature in platino, sebbene costose, si dimostrarono essenziali per resistere alle elevate 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 la massa atomica del magnesio e stabilirne la posizione tra i metalli alcalino-terrosi.
Gli esperimenti sistematici di Faraday rivelarono le notevoli proprietà del magnesio: la sua brillante fiamma bianca, la capacità di bruciare in presenza di anidride carbonica (producendo carbonio e ossido di magnesio) e il suo forte potere riducente. Queste caratteristiche si sarebbero rivelate in seguito fondamentali per le applicazioni del magnesio in fotografia, nella pirotecnica e nella metallurgia.
La produzione commerciale del 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 di decenni, rese possibile la 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 sulle informazioni riguardanti il 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 di 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 ideali 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 al loro eccezionale rapporto resistenza-peso: sono più leggere del 35% rispetto all'alluminio, mantenendo una resistenza comparabile. La lega AZ91D (9% alluminio, 1% zinco) raggiunge resistenze a trazione di 250 MPa pesando soltanto 1.81 g/cm³, il che la rende ideale per alloggiamenti dei motori degli aeromobili, scatole del cambio e componenti strutturali.
Gli elicotteri moderni utilizzano ampiamente riduttori e mozzi del rotore in lega di magnesio, nei quali la riduzione del peso migliora direttamente la capacità di carico utile e l'efficienza del carburante. 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, dove 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, allo scopo di rispettare gli standard di efficienza del carburante. 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 consumo di carburante del 3-5%.
I volanti in magnesio offrono un migliore assorbimento degli urti e riducono l'affaticamento del conducente durante i lunghi viaggi. 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 eccellenti 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 superiore del 75% rispetto alle alternative in plastica, offrendo al contempo una protezione superiore dalle interferenze elettromagnetiche (EMI) per i componenti sensibili.
Le fotocamere professionali, come quelle della serie Canon EOS-1D, impiegano corpi in lega di magnesio per garantire durabilità e protezione dagli 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 brillante combustione bianca 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 d'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 accensione 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 agisce come 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% dell'approvvigionamento globale 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 uniformi 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 delle ossa. 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 of Earth's crust · more abundant than 95% of elements
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 primi 400 chilometri 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 mostra 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 qualità 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, situato sotto 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 di concentrazione naturale.
L'acqua di mare contiene 53 milioni di tonnellate di magnesio per chilometro cubo, mantenuti attraverso complessi cicli biogeochimici che coinvolgono gli apporti fluviali, 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 giacimenti 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 prevede la fusione dei nuclei di carbonio-12 per formare neon-20, che cattura quindi particelle alfa producendo magnesio-24, l'isotopo del 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 dal quale si formano 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 delle proteine 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 mondiale 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 utilizzando calce, quindi lo converte in cloruro di magnesio per l'elettrolisi. Questo approccio rinnovabile potrebbe teoricamente fornire una quantità illimitata di magnesio, poiché l'acqua di mare ne contiene una quantità equivalente a oltre 4 miliardi di anni di consumo ai ritmi attuali.
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. Utilizzare estintori di classe D contenenti cloruro di sodio, grafite o polveri specializzate per lo spegnimento 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. Mantenere l'umidità al di sopra del 65% per ridurre l'accumulo di elettricità statica e garantire la 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 provoca 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 siano dannosi in modo permanente, i sintomi possono 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 delle vie respiratorie: Utilizzare respiratori approvati dal NIOSH con filtri P100 quando possono essere presenti polvere o fumi di magnesio. Predisporre una ventilazione locale per aspirazione che mantenga 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 il corretto funzionamento fisiologico. I sintomi della 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. Consultare 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 pelle per la manipolazione del magnesio solido. Evitare i tessuti sintetici, che possono fondersi e aderire alla pelle durante gli incendi improvvisi.
Requisiti di stoccaggio: Conservare il magnesio in aree fresche e asciutte, lontano da ossidanti, acidi e fonti d'acqua. Utilizzare contenitori ermetici con essiccanti per la polvere di magnesio. Mantenere le temperature di stoccaggio al di sotto di 30°C per prevenire la combustione spontanea delle polveri fini.
Controllo dell'elettricità statica: Mettere a terra tutte le apparecchiature, utilizzare contenitori conduttivi, mantenere l'umidità relativa al di sopra del 65% ed eliminare le fonti di accensione durante la manipolazione della polvere di magnesio o la lavorazione di leghe di magnesio.
Incendi di magnesio: Evacuare immediatamente l'area, chiamare i vigili del fuoco specificando "incendio di magnesio metallico" e non tentare di spegnere l'incendio a meno che non si sia addestrati all'uso di agenti estinguenti di classe D appropriati. Lasciare che gli incendi di piccole dimensioni si esauriscano, proteggendo i materiali circostanti con barriere termiche.
Contatto con pelle/occhi: Rimuovere con cautela le particelle di magnesio senza strofinare (per evitare che i frammenti penetrino nella pelle), sciacquare abbondantemente con acqua per almeno 15 minuti e richiedere assistenza medica per eventuali ustioni o particelle metalliche penetrate nella pelle. Rimuovere le lenti a contatto se facilmente estraibili.
Esposizione per inalazione: Portare immediatamente la persona colpita all'aria aperta, monitorare la comparsa ritardata dei sintomi della febbre da fumi metallici, somministrare ossigeno supplementare se disponibile e richiedere una valutazione medica in caso di esposizioni significative. I sintomi possono comparire solo dopo diverse ore.
Ingestione: Non indurre il vomito. Sciacquare la bocca con acqua, somministrare piccole quantità d'acqua se la persona è cosciente e richiedere immediatamente assistenza medica. Grandi quantità di magnesio metallico possono reagire con l'acido gastrico producendo idrogeno gassoso.
Risposte rapide
Magnesio (symbol Mg) is element 12 on the periodic table, a metallo alcalino-terroso in period 3, group 2. The metal at the centre of chlorophyll — and the one that burns with a light bright enough to blind a camera. At room temperature it is a solid.
[Ne] 3s², giving 3 occupied shells holding 2, 8, 2 electrons respectively.Magnesio melts at 923 K (649.9 °C) and boils at 1363 K (1089.9 °C).
The standard atomic weight of Magnesio is 24.305 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
Magnesio has a density of 1.738 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of magnesio is about 1.7× heavier.
Magnesio has a Pauling electronegativity of 1.31. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.
Magnesio was discovered in 1755 by Joseph Black. It is named after magnesia, a district of Thessaly.
Magnesio makes up about 2.33% of the Earth's crust — one of the most abundant elements there is.