Magnesium – Wikipedia

Magnesium ist ein chemisches Element mit dem Symbol Mg und der Ordnungszahl 12. Es hat zwei Außenelektronen (Valenzelektronen), wodurch die Chemie des Magnesiums bestimmt wird. Als achthäufigstes Element ist es zu etwa 1,4 % am Aufbau der Erdkruste beteiligt. Eigenschaften Das feste, silbrig‐glänzende Leichtmetall Magnesium, das ca. ein Drittel leichter als Aluminium ist, überzieht sich an Luft mit einer Oxidschicht, die, im Gegensatz zu Aluminium, nicht deckend ist. Grund dafür ist, dass das Magnesiumoxid, MgO, mit 10,96 cm³/mol ein geringeres Molvolumen als Magnesium (13,96 cm³/mol) selbst hat. Im Wasser überzieht sich Magnesium mit einer schwerlöslichen Magnesiumhydroxidschicht, welche bei höheren Temperaturen aber unbeständig ist. Schwache Säuren und Ammoniumsalze greifen die Hydroxidschicht ebenfalls an. Mit Säuren wie der Salzsäure reagiert Magnesium recht heftig. Dabei erwärmt es sich stark. Es wird Wasserstoff frei, der mit dem Luftsauerstoff explosive Gemische bildet. Gegen Fluorwasserstoffsäure, HF, und Alkalien ist es im Gegensatz zum Aluminium relativ beständig. Grund dafür ist die geringe Löslichkeit des mit HF gebildeten Magnesiumfluorid, MgF2, bzw. das nicht amphotere Löslichkeitsverhalten von Mg(OH)2. Frisch hergestelltes Magnesiumpulver erwärmt sich an der Luft bis zur Selbstentzündung. Dünne Bänder oder Folien lassen sich leicht entzünden. Es verbrennt mit einer grellweißen Flamme zu Magnesiumoxid MgO und wenig Magnesiumnitrid Mg3N2, wenn es an der Luft verbrennt. Auch in vielen Oxiden wie Kohlenstoffmonoxid, Stickoxid und Schwefeldioxid verbrennt Magnesium. Vor allem feinverteiltes Magnesium reagiert auch bei niedrigen Temperaturen mit Wasser unter Freisetzung von Wasserstoff. Bei einer großen spezifischen Oberfläche (Späne, Stäube) kann soviel Wasserstoff frei werden, dass dieser mit Luft ein explosionsfähiges Gemisch (Knallgas) bildet. Gefährliche Reaktionen sind besonders bei höheren Temperaturen, das heißt bei schmelzflüssigem und brennendem Magnesium, zu erwarten. Reinmagnesium ist schlecht gießbar und hat eine geringe Festigkeit und Härte. Verwendung Magnesiumband und ‐draht wird in (Foto‐)Blitzlampen beziehungsweise früher als Blitzlichtpulver, Magnesiumpulver in Brandsätzen, ‐bomben und Leuchtmunition, aber auch als Zusatz in Feuersteinen für Feuerzeuge verwendet. Häufig dienen Magnesiumstäbe als Opferanoden, die Teile aus edleren Metallen vor Korrosion schützen. In der Metallurgie dient es als vielseitiges Reduktionsmittel, z. B. ƒ im Kroll‐Prozess zur Herstellung von Titan, ƒ als Reduktionsmittel zur Herstellung von Uran, Kupfer, Nickel, Chrom und Zirconium, ƒ als Magnesiumgranulat zur Entschwefelung von Eisen und Stahl, ƒ als Zuschlagstoff für Kugelgraphitguss. ƒ Als Brennstoff für Fackeln die unter Wasser brennen. In der organischen Chemie wird es zur Herstellung von Grignard‐Verbindungen genutzt. Weil sich Magnesium sehr leicht entzündet, wird es auch als sehr robustes Feuerzeug verwendet. Diese als Fire Starter Kits vertriebenen Magnesiumblöcke haben auf einer Seite einen langen Stab, dessen Abrieb, wie der Feuerstein beim Feuerzeug, sich mit dem Luftsauerstoff entzündet. Die Prozedur ähnelt stark der in der Steinzeit üblichen Methode, durch Feuerstein und Zunder Feuer zu machen, wobei das Magnesium die Rolle des Zunders übernimmt. Zuerst werden mit einem Messer vom Magnesiumblock Späne abgeschabt und auf (bzw. unter) dem eigentlichen Brennmaterial platziert. Anschließend werden durch Schaben (z.B. ebenfalls mit einem Messer) an der Rückseite Funken möglichst nahe an den Magnesiumspänen erzeugt, die sich daraufhin entzünden. Magnesiumlegierungen Für gängige Magnesiumlegierungen liegt der Schmelzbereich zwischen 430 und 630 °C. 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 5 %. 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 sowie Motorrad‐ und Fahrradteile aus Magnesiumlegierungen hergestellt. Die Kurbelgehäuse der 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, so z. B. Felgen, Profile, Gehäuse, Motorhauben, Motordeckel, Handbremshebel und Kurbelgehäuse (Motorblock). (siehe hierzu auch: BMW N52) Teile des 3‐Liter‐Autos VW Lupo und zunehmend auch Fahrzeugteile 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. Jüngste Forschungen versprechen ein hohes Entwicklungspotenzial von Magnesiumwerkstoffen als resorbierbares Implantatmaterial für den menschlichen Körper. Magnesiumwerkstoffe zeichnen sich durch eine relativ schlechte Korrosionsbeständigkeit aus. Dieser scheinbare Nachteil wäre jedoch bei einer Verwendung als zeitlich begrenzt einzusetzendes Implantatmaterial ein entscheidender Vorteil, da es sich nach einer bestimmten Zeit gefahrlos auflösen würde. Damit entfielen Risiken und Kosten einer Operation zur Implantatentnahme. Gefahren und Schutzmaßnahmen Die Gefahren durch Magnesium hängen stark von der Temperatur und der Teilchengröße ab. Kompaktes Magnesium ist bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes ungefährlich. Magnesiumspäne und ‐pulver sind leichtentzündlich, da sie – bedingt durch die große Oberfläche – leicht mit dem Sauerstoff der Luft reagieren können. Je feiner das Magnesiumpulver ist, desto größer ist die Gefahr der Selbstentzündung. Luft‐Pulver‐Gemische sind sogar explosionsgefährlich. Flüssiges Magnesium entzündet sich ebenfalls selbst an der Luft. Auch mit vielen anderen Stoffen, beispielsweise Wasser und andere sauerstoffhaltige Verbindungen, reagiert feinkörniges oder erhitztes Magnesium. Bei Magnesiumbränden treten Temperaturen bis zu etwa 3000 °C auf. Magnesiumbrände dürfen nicht mit gängigen Löschmitteln, wie Wasser, Kohlenstoffdioxid, Schaum oder Stickstoff gelöscht werden, da heißes Magnesium zum Teil heftig mit diesen reagiert. Da sich mit Wasser Wasserstoff bildet, ist die Verwendung von Wasser besonders gefährlich (Knallgasreaktion). Die Löschung erfolgt durch Ersticken (Sauerstoffverdrängung) mit eigens für Metallbrände geeigneten Löschmitteln. Dies sind beispielsweise Löschpulver der Brandklasse D, trockener Sand, Magnesiumoxid‐Pulver, trockene rostfreie Graugußspäne, Argon und spezielle trockene Abdecksalze für Magnesiumschmelzen. Bei der Verwendung von Magnesium müssen einige Sicherheitshinweise befolgt werden. So sind Späne und Staub möglichst zu vermeiden beziehungsweise schnell zu entfernen. Das Magnesium sollte möglichst trocken gehandhabt werden. Es darf unter keinen Umständen eine explosionsfähige Atmosphäre (Magnesiumstaub, Wasserstoff, Aerosole und Dämpfe brennbarer Kühlschmierstoffe) entstehen. Auch die normalen Arbeitsschutzmaßnahmen, wie die Vermeidung von Zündquellen, müssen beachtet werden. Nachweis Der Nachweis von Magnesium gelingt am besten mittels Magneson II, Titangelb oder Chinalizarin. Zum Nachweis mit Magneson II (4‐(4‐Nitrophenylazo)‐1‐naphthol) wird die Ursubstanz in Wasser gelöst und alkalisch gemacht. Danach gibt man einige Tropfen einer Lösung des Azofarbstoffs Magneson II hinzu. Bei Anwesenheit von Magnesium‐Ionen entsteht ein dunkelblauer Farblack. Andere Erdalkalimetalle sollten vorher durch Fällung als Carbonate entfernt werden. Zum Nachweis mit Titangelb (Thiazolgelb G) wird die Ursubstanz in Wasser gelöst und angesäuert. Anschließend wird sie mit einem Tropfen der Titangelb‐Lösung versetzt und mit verdünnter Natronlauge alkalisch gemacht. Bei Anwesenheit von Magnesium entsteht ein hellroter Niederschlag. Nickel‐, Zink‐, Mangan‐ und Cobalt‐Ionen stören diesen Nachweis und sollten vorher als Sulfide gefällt werden. Zum Nachweis mit Chinalizarin wird die saure Probelösung mit zwei Tropfen der Farbstofflösung versetzt. Dann wird verdünnte Natronlauge bis zur basischen Reaktion zugegeben. Eine blaue Färbung oder Fällung zeigt Magnesium an. Als Nachweisreaktion für Magnesiumsalze kann auch die Bildung von Niederschlägen mit Phosphatsalz‐Lösungen herangezogen werden. Die schwermetallfreie, mit Ammoniak und Ammoniumchlorid auf pH 8 bis 9 gepufferte Probelösung wird dazu mit Dinatriumhydrogenphosphatlösung versetzt. Eine weiße, säurelösliche Trübung durch Magnesiumammoniumphosphat MgNH4PO4 zeigt Magnesiumionen an: Das v erk nüpfte Bild k ann nicht angezeigt werden. Möglicherweise wurde die Datei v erschoben, umbenannt oder gelöscht. Stellen Sie sicher, dass die Verk nüpfung auf die k orrek te Datei und den k orrek ten Speicherort zeigt.
Aus Ammoniakalischer Lösung kann Mg2+ auch mit Oxin als schwerlösliche gelbgrünliche Verbindung nachgewiesen werden. Dieser Nachweis eigent sich für den Kationentrennungsgang. Verbindungen ƒ Magnesiumadipat ƒ Magnesiumammoniumphosphat Mg(NH4)PO4 ƒ Magnesiumaspartathydrochlorid ƒ Magnesiumbromid MgBr2 ƒ Magnesiumcarbid Mg2C3 ƒ Magnesiumcarbonat MgCO3 (Magnesia, Chalk) zur Verbesserung des Griffs durch Aufsaugen des Schweißes beim Klettern, Turnen, Gewichtheben sowie in der Leichtathletik ƒ Magnesiumchlorid MgCl2 ƒ Magnesiumcitrat, das Magnesiumsalz der Zitronensäure, zur Substitutionstherapie ƒ Magnesiumdiborid MgB2 ƒ Magnesiumfluorid MgF2 ƒ Magnesiumhydrid MgH2 ƒ Magnesiumhydroxid Mg(OH)2 (Brucit) als Antazidum zur Bindung von überschüssiger Magensäure ƒ Magnesiumiodid MgI2 ƒ Magnesiummonoperoxyphthalat, ein Desinfektionsmittel zur Flächendesinfektion ƒ Magnesiumnitrat Mg(NO3)2 ƒ Magnesiumnitrid Mg3N2 ƒ Magnesiumorotat, Magnesiumsalz der Orotsäure ƒ Totgebranntes Magnesiumoxid MgO (Magnesia) zur Auskleidung von Hochtemperaturanlagen wie Schmelzöfen, Gießpfannen usw. ƒ Magnesiumperchlorat Mg(ClO4)2 ƒ Magnesiumperoxid MgO2 ƒ Magnesiumphosphat ƒ Magnesiumstearat ƒ Magnesiumsulfat MgSO4 ƒ Magnesiumsulfat‐Heptahydrat Mg(SO4)∙7H2O, bekannt als Mineral Epsomit ƒ Magnesiumsulfid MgS ƒ Spinell MgAl2O4