鎂元素

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英國戴維于1808年用鉀還原氧化鎂制得金屬鎂。它是一種銀白色的輕質鹼土金屬,化學性質活潑,能與酸反應生成氫氣,具有一定的延展性和熱消散性。鎂元素在自然界廣泛分佈,是人體的必需元素之一。

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目 錄1發現簡史

2礦藏分佈

3物理性質

4化學性質

5同位素

6應用領域

6.1 日常用途

6.2 生理用途

6.3 工業應用

7製備方法

7.1 礦石提取

7.2 海水提取

8注意事項

9鎂元素的化合價

1發現簡史 單質鎂

第一個確認鎂是一種元素的是Joseph Black,在愛丁堡(英國)于1755年。他辨別石灰氧化鈣,CaO)中的苦土(氧化鎂,MgO),兩者各自都是由加熱類似於碳酸鹽岩,菱鎂礦和石灰石來制取。另一種鎂礦石叫做海泡石硅酸鎂),于1799年由Thomas Henry報告,他說這種礦石在土耳其更多的用於製作煙鬥。[1]

不純凈的鎂金屬在1792年由Anton Rupprecht首次制取,他加熱苦土和木炭混合物。純凈但非常小量的金屬鎂在1808年由Humphry Davy電解氧化鎂制取。然而,是法國科學家Antoine-Alexandre-Brutus Bussy使用氯化鎂和鉀反應制取了相當大量的金屬鎂于1831年,之後他開始研究它的特性。

許多世紀以前,古羅馬人認為「magnesia」(希臘Magnesia地區出產的一種白色鎂鹽,鎂元素即因此得名)能治療多種疾病。直到1808年,英國化學家戴維採用電解苦土(含鎂)的方法分離出元素鎂。上世紀30年代初MoCollum,E.V及其同事首次用鼠和狗作為實驗動物,系統地觀察了鎂缺乏的反應。1934年首次發表了少數人在不同疾病的基礎上發生鎂缺乏的臨床報道。證實鎂是人體的必需元素。[1]

鎂是在自然界中分佈最廣的十個元素之一(鎂是在地球的地殼中第八豐富的元素,約占2%的質量,亦是宇宙中第九多元素),但由於它不易從化合物中還原成單質狀態,所以遲遲未被發現。[1]

長時期里,化學家們將從含碳酸鎂的菱鎂礦焙燒獲得的鎂的氧化物苦土當作是不可再分割的物質。在1789年拉瓦錫發表的元素表中就列有它。1808年,戴維在成功制得鈣以後,使用同樣的辦法又成功的制得了金屬鎂。從此鎂被確定為元素,並被命名為magnesium,元素符號是Mg。Magnesium來自希臘城市美格里亞Magnesia,因為在這個城市附近出產氧化鎂,被稱為magnesia alba,即白色氧化鎂,元素符號Mg。鎂的原子序為12,原子量為24.3,是典型的二價金屬,具有金屬的共有特性。由於鎂的氧化物性質與鈣一樣介於「鹼性」和「土性」之間,故稱為鹼土金屬元素。[1]

2礦藏分佈 鎂與鹽酸反應

地殼中存在形式:菱鎂礦(碳酸鎂)MgCO₃,白雲石碳酸鎂鈣)CaMg(CO₃)₂,光鹵石(水合氯化鎂鉀)KCl·MgCl₂·H₂O中。[1]

元素在太陽中的含量

700(ppm)[1]

元素在海水中的含量

1200(ppm)[1]

地殼中含量

23000(ppm)[1]

3物理性質 鎂結構圖

外觀與性狀:銀白色有金屬光澤的粉末。[2]

溶解性:不溶於水、鹼液,溶於酸。[2]

熔點(℃)

648[2]

沸點(℃)

1107[2]

相對密度(水=1)

1.74[2]

飽和蒸汽壓(kPa)

0.13(621℃)[2]

燃燒熱(kJ/mol)

609.7[2]

引燃溫度(℃)

480~510[2]

爆炸下限%(V/V)

44~59mg/m³[2]

4化學性質 鎂條燃燒生成氧化鎂

具有比較強的還原性,能與沸水反應放出氫氣,燃燒時能產生眩目的白光,鎂與氟化物氫氟酸鉻酸不發生作用,也不受苛性鹼侵蝕,但極易溶解于有機和無機酸中,鎂能直接與氮、硫和鹵素等化合,包括烴、醛、醇、酚、胺、脂和大多數油類在內的有機化學藥品與鎂僅僅輕微地或者根本不起作用。但和鹵代烴在無水的條件下反應卻較為劇烈(生成格氏試劑)鎂能和二氧化碳發生燃燒反應,因此鎂燃燒不能用二氧化碳滅火器滅火。鎂由於能和N₂和O₂反應,所以鎂在空氣中燃燒時,劇烈燃燒發出耀眼白光,放熱,生成白色固體。在食醋中的變化為快速冒出氣泡,浮在醋液面上,逐漸消失。一些煙花和照明彈里都含有鎂粉,就是利用了鎂在空氣中燃燒能發出耀眼的白光的性質。

1.與非金屬單質的反應:

  2Mg+O₂==點燃==2MgO

  3Mg+N₂==點燃==Mg₃N₂

  Mg+Cl₂==點燃==MgCl₂

2.與水的反應:

  Mg+2H₂O=△= Mg(OH)₂+H₂↑

3.與酸的反應:[3]

  Mg+2HCl=MgCl₂+H₂↑

  Mg+H₂SO₄=MgSO₄+H₂↑

4.與氧化物的反應:[3]

  2Mg+CO₂=點燃=2MgO+C

  

(類似於鋁熱反應,用活潑金屬還原氧化物)

5.鎂與氯化銨反應:[3]

  鎂與氯化銨的反應,究其本質,還是鎂與酸的反應。氯化銨溶液銨根離子水解,溶液顯酸性。當加入鎂粉之後,鎂與溶液中的氫離子反應,放出氫氣,同時放出大量的熱。銨根離子的水解產物——氨水,受熱之後,則發生分解。故此反應可以得到兩種氣體。

  總反應方程式:Mg + 2NH₄Cl ===MgCl₂+ 2NH₃↑ + H₂↑

  上式實際可拆分為下列反應方程式:

  

6.鎂和碳酸氫鹽反應[3]

7.鎂和鹼金屬氫氧化物反應[3]

通常認為,鎂不會和鹼金屬的氫氧化物(如KOH)反應,因為鎂是鹼性金屬,而不是兩性金屬。但是,在高溫下,鎂可以參與氧化還原反應,如和NaOH反應,產生MgO、Na和H₂。

5同位素已發現鎂的同位素共有22種,包括鎂19至鎂40,其中只有鎂24、鎂25、鎂26是天然存在並且穩定的,其他鎂的同位素都帶有放XX性。

符號

質子

中子

質量(u)

半衰期

原子核自旋

相對丰度

相對丰度的變化量

19Mg

12

7

19.03547(27)

1/2-#

20Mg

12

8

20.018863(29)

90.8(24) ms

0+

21Mg

12

9

21.011713(18)

122(2) ms

(5/2,3/2)+

22Mg

12

10

21.9995738(14)

3.8755(12) s

0+

23Mg

12

11

22.9941237(14)

11.317(11) s

3/2+

24Mg

12

12

23.985041700(14)

穩定

0+

0.7899(4)

0.78958-0.79017

25Mg

12

13

24.98583692(3)

穩定

5/2+

0.1000(1)

0.09996-0.10012

26Mg

12

14

25.982592929(30)

穩定

0+

0.1101(3)

0.10987-0.11030

27Mg

12

15

26.98434059(5)

9.458(12) min

1/2+

28Mg

12

16

27.9838768(22)

20.915(9) h

0+

29Mg

12

17

28.988600(15)

1.30(12) s

3/2+

30Mg

12

18

29.990434(9)

335(17) ms

0+

31Mg

12

19

30.996546(13)

230(20) ms

3/2+

32Mg

12

20

31.998975(19)

86(5) ms

0+

33Mg

12

21

33.005254(21)

90.5(16) ms

7/2-#

34Mg

12

22

34.00946(25)

20(10) ms

0+

35Mg

12

23

35.01734(43)#

70(40) ms

(7/2-)#

36Mg

12

24

36.02300(54)#

3.9(13) ms

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37Mg

12

25

37.03140(97)#

40# ms [>260 ns]

7/2-#

38Mg

12

26

38.03757(54)#

1# ms [>260 ns]

0+

39Mg

12

27

39.04677(55)#

1發現簡史 單質鎂

第一個確認鎂是一種元素的是Joseph Black,在愛丁堡(英國)于1755年。他辨別了石灰(氧化鈣,CaO)中的苦土(氧化鎂,MgO),兩者各自都是由加熱類似於碳酸鹽岩,菱鎂礦和石灰石來制取。另一種鎂礦石叫做海泡石(硅酸鎂),于1799年由Thomas Henry報告,他說這種礦石在土耳其更多的用於製作煙鬥。[1]

不純凈的鎂金屬在1792年由Anton Rupprecht首次制取,他加熱苦土和木炭的混合物。純凈但非常小量的金屬鎂在1808年由Humphry Davy電解氧化鎂制取。然而,是法國科學家Antoine-Alexandre-Brutus Bussy使用氯化鎂和鉀反應制取了相當大量的金屬鎂于1831年,之後他開始研究它的特性。

許多世紀以前,古羅馬人認為「magnesia」(希臘Magnesia地區出產的一種白色鎂鹽,鎂元素即因此得名)能治療多種疾病。直到1808年,英國化學家戴維採用電解苦土(含鎂)的方法分離出元素鎂。上世紀30年代初MoCollum,E.V及其同事首次用鼠和狗作為實驗動物,系統地觀察了鎂缺乏的反應。1934年首次發表了少數人在不同疾病的基礎上發生鎂缺乏的臨床報道。證實鎂是人體的必需元素。[1]

鎂是在自然界中分佈最廣的十個元素之一(鎂是在地球的地殼中第八豐富的元素,約占2%的質量,亦是宇宙中第九多元素),但由於它不易從化合物中還原成單質狀態,所以遲遲未被發現。[1]

長時期里,化學家們將從含碳酸鎂的菱鎂礦焙燒獲得的鎂的氧化物苦土當作是不可再分割的物質。在1789年拉瓦錫發表的元素表中就列有它。1808年,戴維在成功制得鈣以後,使用同樣的辦法又成功的制得了金屬鎂。從此鎂被確定為元素,並被命名為magnesium,元素符號是Mg。Magnesium來自希臘城市美格里亞Magnesia,因為在這個城市附近出產氧化鎂,被稱為magnesia alba,即白色氧化鎂,元素符號Mg。鎂的原子序為12,原子量為24.3,是典型的二價金屬,具有金屬的共有特性。由於鎂的氧化物性質與鈣一樣介於「鹼性」和「土性」之間,故稱為鹼土金屬元素。[1]

2礦藏分佈 鎂與鹽酸反應

地殼中存在形式:菱鎂礦(碳酸鎂)MgCO₃,白雲石(碳酸鎂鈣)CaMg(CO₃)₂,光鹵石(水合氯化鎂鉀)KCl·MgCl₂·H₂O中。[1]

元素在太陽中的含量

700(ppm)[1]

元素在海水中的含量

1200(ppm)[1]

地殼中含量

23000(ppm)[1]

3物理性質 鎂結構圖

外觀與性狀:銀白色有金屬光澤的粉末。[2]

溶解性:不溶於水、鹼液,溶於酸。[2]

熔點(℃)

648[2]

沸點(℃)

1107[2]

相對密度(水=1)

1.74[2]

飽和蒸汽壓(kPa)

0.13(621℃)[2]

燃燒熱(kJ/mol)

609.7[2]

引燃溫度(℃)

480~510[2]

爆炸下限%(V/V)

44~59mg/m³[2]

4化學性質 鎂條燃燒生成氧化鎂

具有比較強的還原性,能與沸水反應放出氫氣,燃燒時能產生眩目的白光,鎂與氟化物、氫氟酸和鉻酸不發生作用,也不受苛性鹼侵蝕,但極易溶解于有機和無機酸中,鎂能直接與氮、硫和鹵素等化合,包括烴、醛、醇、酚、胺、脂和大多數油類在內的有機化學藥品與鎂僅僅輕微地或者根本不起作用。但和鹵代烴在無水的條件下反應卻較為劇烈(生成格氏試劑)鎂能和二氧化碳發生燃燒反應,因此鎂燃燒不能用二氧化碳滅火器滅火。鎂由於能和N₂和O₂反應,所以鎂在空氣中燃燒時,劇烈燃燒發出耀眼白光,放熱,生成白色固體。在食醋中的變化為快速冒出氣泡,浮在醋液面上,逐漸消失。一些煙花和照明彈里都含有鎂粉,就是利用了鎂在空氣中燃燒能發出耀眼的白光的性質。

1.與非金屬單質的反應:

  2Mg+O₂==點燃==2MgO

  3Mg+N₂==點燃==Mg₃N₂

  Mg+Cl₂==點燃==MgCl₂

2.與水的反應:

  Mg+2H₂O=△= Mg(OH)₂+H₂↑

3.與酸的反應:[3]

  Mg+2HCl=MgCl₂+H₂↑

  Mg+H₂SO₄=MgSO₄+H₂↑

4.與氧化物的反應:[3]

  2Mg+CO₂=點燃=2MgO+C

  

(類似於鋁熱反應,用活潑金屬還原氧化物)

5.鎂與氯化銨反應:[3]

  鎂與氯化銨的反應,究其本質,還是鎂與酸的反應。氯化銨溶液中銨根離子水解,溶液顯酸性。當加入鎂粉之後,鎂與溶液中的氫離子反應,放出氫氣,同時放出大量的熱。銨根離子的水解產物——氨水,受熱之後,則發生分解。故此反應可以得到兩種氣體。

  總反應方程式:Mg + 2NH₄Cl ===MgCl₂+ 2NH₃↑ + H₂↑

  上式實際可拆分為下列反應方程式:

  

6.鎂和碳酸氫鹽反應[3]

7.鎂和鹼金屬氫氧化物反應[3]

通常認為,鎂不會和鹼金屬的氫氧化物(如KOH)反應,因為鎂是鹼性金屬,而不是兩性金屬。但是,在高溫下,鎂可以參與氧化還原反應,如和NaOH反應,產生MgO、Na和H₂。

5同位素已發現鎂的同位素共有22種,包括鎂19至鎂40,其中只有鎂24、鎂25、鎂26是天然存在並且穩定的,其他鎂的同位素都帶有放XX性。

符號

質子

中子

質量(u)

半衰期

原子核自旋

相對丰度

相對丰度的變化量

19Mg

12

7

19.03547(27)

1/2-#

20Mg

12

8

20.018863(29)

90.8(24) ms

0+

21Mg

12

9

21.011713(18)

122(2) ms

(5/2,3/2)+

22Mg

12

10

21.9995738(14)

3.8755(12) s

0+

23Mg

12

11

22.9941237(14)

11.317(11) s

3/2+

24Mg

12

12

23.985041700(14)

穩定

0+

0.7899(4)

0.78958-0.79017

25Mg

12

13

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穩定

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0.1000(1)

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26Mg

12

14

25.982592929(30)

穩定

0+

0.1101(3)

0.10987-0.11030

27Mg

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9.458(12) min

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28Mg

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29Mg

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86(5) ms

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