vonMagnesia, einer Stadt in Kleinasien auf dem Gebiet der heutigen Türkei.
Allerdings scheinen alle angegebenen Herleitungen etymologisch wiederum von denMagneten bzw. dereneponymen HerosMagnes herzustammen.
Magnesiumverbindungen waren schon Jahrhunderte vor der Herstellung elementaren Magnesiums bekannt und in Gebrauch.Magnesia alba bezeichneteMagnesiumcarbonat, währendMagnesia der gebräuchliche Name fürMagnesiumoxid war.
Der schottische Physiker und ChemikerJoseph Black war der erste, der Magnesiumverbindungen im 18. Jahrhundert systematisch untersuchte. 1755 erkannte er in seinem WerkDe humore acido a cibis orto et Magnesia alba den Unterschied zwischen Kalk (Calciumcarbonat) undMagnesia alba (Magnesiumcarbonat), die zu dieser Zeit oft verwechselt wurden. Er fassteMagnesia alba alsCarbonat eines neuen Elements auf. Deswegen wird Black oft als Entdecker des Magnesiums genannt, obwohl er nie elementares Magnesium darstellte.
1808 gewann SirHumphry Davy Magnesium durch Elektrolyse angefeuchteten Magnesiumhydroxids mit Hilfe einerVoltaschen Säule – allerdings nicht in reiner Form, sondern alsAmalgam, da er mit einerKathode ausQuecksilber arbeitete. So zeigte er, dassMagnesia das Oxid eines neuen Metalls ist, das er zunächstMagnium nannte.
1828 gelang es dem französischen ChemikerAntoine Bussy durch das Erhitzen von trockenem Magnesiumchlorid mit Kalium als Reduktionsmittel, geringe Mengen von reinem Magnesium darzustellen. 1833 stellteMichael Faraday als erster Magnesium durch die Elektrolyse von geschmolzenem Magnesiumchlorid her. Basierend auf diesen Versuchen arbeitete der deutsche ChemikerRobert Wilhelm Bunsen in den 1840er und 1850er Jahren an Verfahren zur Herstellung von Magnesium durch Elektrolyse von Salzschmelzen mit Hilfe des von ihm entwickeltenBunsenelements. 1852 entwickelte er eine Elektrolysezelle zur Herstellung größerer Mengen von Magnesium aus geschmolzenem, wasserfreien Magnesiumchlorid. Dieses Verfahren ist bis heute zur Gewinnung von Magnesium bevorzugt.
Die technische Erzeugung von Magnesium begann 1857 in Frankreich nach einem Verfahren vonHenri Etienne Sainte-Claire Deville und Henri Caron.[15] Beim sogenannten Deville-Caron-Prozess wird ein Gemisch aus wasserfreiemMagnesiumchlorid undCalciumfluorid mitNatrium reduziert. InEngland begann die Firma Johnson Matthey um 1860 mit der Magnesiumherstellung nach einem ähnlichen Verfahren. Aufgrund von Fabrikationsschwierigkeiten blieben diese frühen Unternehmungen allerdings unwirtschaftlich.
Magnesium kommt in der Natur wegen seiner Reaktionsfreudigkeit nicht in elementarer Form vor. AlsMineral tritt es überwiegend in Form vonCarbonaten,Silicaten,Chloriden undSulfaten auf. In Form vonDolomit ist ein Magnesiummineral sogar gebirgsbildend, so z. B. in denDolomiten.
Im Leitungswasser gelöst, ist Magnesium zusammen mit Calcium für dieWasserhärte verantwortlich. ImMeerwasser ist Magnesium mit einerMassenkonzentration von ungefähr 1,3 kg/m³ enthalten, was einerStoffmengenkonzentration von 0,054 mol/L entspricht. Damit ist Magnesium nachNatrium das zweithäufigste metallische Element im Meerwasser. Das macht eine ökonomische Gewinnung von Magnesium aus Meerwasser möglich.[16]
Gewinnung und Darstellung
Stapeln von (noch heißen) Magnesiumbarren
Die Gewinnung von metallischem Magnesium erfolgt vorwiegend über zwei Wege:
DurchSchmelzflusselektrolyse von geschmolzenemMagnesiumchlorid inDowns-Zellen: Downs-Zellen bestehen aus großen eisernen Trögen, die von unten beheizt werden. AlsAnoden dienen von oben eingelassene Graphitstäbe, die an den Spitzen von einer ringförmigenKathode umgeben sind. Dasmetallische Magnesium sammelt sich auf derSalzschmelze und wird abgeschöpft. Das entstehendeChlorgas sammelt sich im oberen Teil der Zelle und wird wieder verwendet zur Herstellung von Magnesiumchlorid ausMagnesiumoxid. Zur Schmelzpunkterniedrigung des Magnesiumchlorids wird der Salzschmelze Calcium- und Natriumchlorid zugesetzt. 75 % der Weltproduktion werden auf diesem Weg erzeugt.[17]
Ansicht von Primärmagnesium- hergestellt mit dem Pidgeon-Prozess
88 % der weltweiten Magnesiumproduktion finden in China statt, dort wurden 2020 ca. 886.000 t Magnesiummetall produziert. Danach folgen mit jeweils nur wenigen Prozent MarktanteilRussland,Israel,Kasachstan und Brasilien. Eine große Rolle spielt beim Magnesium auch das Recycling. Alleine in den USA werden ca. 100.000 t Magnesium pro Jahr aus recyceltem Metallschrott gewonnen. Haupteinsatzzweck von metallischem Magnesium ist das Metallgießen bzw. die Herstellung von Aluminiumlegierungen z. B. zur Gewichtsreduktion von teuren Sportautos. Durch die hohe Verfügbarkeit von Magnesium in Meerwasser und magnesiumhaltigen Mineralien gelten die globalen Magnesiumressourcen als praktisch unbegrenzt.[19] Wegen der hohen Abhängigkeit der EU von Magnesium aus China (93 %) ist Magnesium jedoch auf der Liste kritischer Rohstoffe der EU.[20]
Die weltweiten Primarerzeugungsmengen von Magnesium können der nachfolgenden Tabelle entnommen werden. Die USA veröffentlichen ihre Erzeugungsmengen aus Gründen der Geschäftsgeheimhaltung nicht.
Bei derProduktion von 1 kg Magnesium durch den Pidgeon-Prozess entstehenTreibhausgase mit einem CO2-Äquivalent von etwa 31 kg (zum Vergleich: Für 1 kgStahl entstehen zwischen 0,5 und 2 kg CO2-Äquivalente).[18]
Das Mg2+-Kation ist das imMeerwasser am zweithäufigsten vorkommende Kation, was Meerwasser undMeersalz zu attraktiven kommerziellen Quellen für Magnesium macht. Um es zu extrahieren, wirdCalciumhydroxid zu Meerwasser gegeben, um einen Niederschlag ausMagnesiumhydroxid zu bilden.
Aus demMagnesiumchlorid kann anschließend durch die oben genannte Schmelzflusselektrolyse metallisches Magnesium gewonnen werden.
Eigenschaften
Das feste, silbrig glänzendeLeichtmetall Magnesium ist gut ein Drittel leichter alsAluminium. Reinmagnesium hat eine geringe Festigkeit und Härte. SeinE-Modul liegt bei etwa 45 GPa (Baustahl 210 GPa). An Luft überzieht sich Magnesium mit einer Oxidschicht, die im Gegensatz zu Aluminium nicht vollständig deckend ist. Grund dafür ist, dass das Magnesiumoxid ein geringeres Molvolumen als Magnesium selbst hat (MgO: 10,96 cm3/mol, Mg: 13,96 cm3/mol); s.Pilling-Bedworth-Verhältnis. Deshalb bietet die Oxidschicht auf Magnesium einen geringeren Schutz gegen Korrosion, als dies bei Aluminium der Fall ist.
Dünne Bänder oder Folien lassen sich leicht entzünden. Es verbrennt an der Luft mit einer grellweißen Flamme zuMagnesiumoxid MgO und wenigMagnesiumnitrid Mg3N2. Beide Reaktionen verlaufen stark exotherm. Die Reaktionswärme der Oxidbildung beträgt −592,8 kJ·mol−1, die der Nitridbildung −462,8 kJ·mol−1.[22]
Frisch hergestelltes Magnesiumpulver kann sich wie Aluminiumpulver an der Luft bis zur Selbstentzündung erwärmen. Gefährliche Reaktionen sind bei höheren Temperaturen, das heißt besonders bei Schmelzflüssigem zu erwarten. Auch in vielen Oxiden wieKohlenstoffmonoxid,Stickoxid undSchwefeldioxid verbrennt Magnesium.
MitWasser reagiert Magnesium unter Bildung von Wasserstoff:
Reaktion von Magnesium mit Wasser
Dabei bildet sich ein schwer löslicher Überzug ausMagnesiumhydroxid, der die Reaktion weitgehend zum Erliegen bringt (Passivierung). Schon schwacheSäuren, wie beispielsweiseAmmoniumsalze, genügen um die Hydroxidschicht zu lösen, da sie die Hydroxidionen zu Wasser umsetzen und sich lösliche Salze bilden. Ohne Passivierung verläuft dieexotherme Reaktion heftig; je feiner der Magnesiumstaub, desto heftiger. Mit Luft bildet der freigesetzte Wasserstoff leicht ein explosionsfähiges Gemisch (Knallgas).
Magnesium reagiert mitKohlenstoffdioxid exotherm unter Bildung von Magnesiumoxid und Kohlenstoff:[23]
Reaktion von Magnesium mit Kohlenstoffdioxid
Daher löscht Kohlendioxid Magnesiumbrände nicht, sondern befeuert sie.
GegenFluorwasserstoffsäure undBasen ist es im Gegensatz zum Aluminium relativ beständig. Grund dafür ist die geringe Löslichkeit des als Überzug gebildetenMagnesiumfluorids (MgF2), die eine weitere Bildung von Mg(OH)3−-Ionen verhindern.
Kristallstruktur
Schemabild der hexagonal dichtesten Kugelpackung (zur besseren Übersichtlichkeit sind nur die Atommittelpunkte eingezeichnet, das Verhältnis der Achsen beträgt im Idealfall c/a = 1,633)
DieKristallstruktur von Magnesium entspricht einerhexagonal dichtesten Kugelpackung. Diese Kristallstruktur hat im Vergleich zurkubisch flächenzentrierten Struktur, die z. B. Aluminium besitzt, oder zur kubisch raumzentrierten Struktur, wie sie beiEisen auftritt, die geringste Anzahl vonGleitebenen, auf denenAtome verschoben werden können.[24] Aus diesem Grund ist Magnesium vergleichsweise wenigerduktil und bei Raumtemperatur kaumplastisch verformbar. Umformprozesse wie z. B. dasWalzen müssen deshalb bei erhöhter Temperatur durchgeführt werden.
Isotope
Es sind insgesamt 21Isotope zwischen19Mg und40Mg des Magnesiums bekannt. Von diesen sind drei, die Isotope24Mg,25Mg und26Mg stabil und kommen in der Natur vor. Das Isotop mit dem größeren Anteil an der natürlichen Isotopenzusammensetzung ist24Mg mit 78,99 %,25Mg hat einen Anteil von 10,0 % und26Mg von 11,01 %. Die langlebigsten instabilen Isotope sind28Mg, das mit einerHalbwertszeit von 20,915 Stunden unterBetazerfall in28Al übergeht und27Mg, das mit einer Halbwertszeit von 9,435 Minuten ebenfalls unter Betazerfall zu27Al zerfällt. Alle anderen Isotope haben nur kurze Halbwertszeiten von Sekunden oder Millisekunden.[25]
Verwendung von metallischem Magnesium
Ein Stab aus MagnesiumProdukte aus Magnesium und Magnesiumlegierungen
Magnesiumpulver und ‑draht wird in Brandsätzen, ‑bomben und Leuchtmunition, früher auch alsBlitzlichtpulver verwendet. Häufig dienen Magnesiumstäbe alsOpferanoden, die Teile aus edleren Metallen vorKorrosion schützen.
In derMetallurgie findet Magnesium vielseitige Verwendung,
Magnesium ist Basis einer Gruppe genormter Leichtlegierungen für den Bau von Luft- und Kraftfahrzeugen (derenSchmelzen benötigen eine Abdeckschicht aus geschmolzenemMagnesiumchlorid zum Schutz vor Luftzutritt und Oxidation, s.Schmelzebehandlung), siehe auchElektron (Werkstoff).
Eine weitere Anwendung sindFackeln, die unter Wasser brennen.
Weil sich Magnesium sehr leicht entzündet, wird es auch alsFeuerzeug verwendet, das auch unter widrigen Umständen funktioniert. Die alsFire Starter Kits vertriebenen Magnesiumblöcke werden mit einemZündstein geliefert, dessen Abrieb sich an der Luft spontan entzündet. Die Prozedur ähnelt der seit derSteinzeit üblichen Methode, ein Feuer mitFeuerstein undZunder anzuzünden, wobei das Magnesium die Rolle des Zunders übernimmt. Zunächst werden mit einem Messer Späne vom Magnesiumblock abgeschabt und auf oder unter dem eigentlichen Brennmaterial platziert. Anschließend werden durch Schaben am Zündstein (z. B. mit dem Rücken des Messers) Funken möglichst nahe an den Magnesiumspänen erzeugt, um diese zu entzünden.
Magnesiumlegierungen
Einteilung und Bezeichnung der Legierungen
Für Magnesiumlegierungen werden weltweit die US-amerikanischen Bezeichnungen entsprechend derASTM-Norm B275 verwendet. Hierbei werden die Hauptlegierungselemente mit Abkürzungen entsprechend nachfolgender Tabelle benannt, gefolgt von den gerundeten Gehalten in Masseprozent[26]. Null bedeutet einen Gehalt unter 1 %. AZ91 steht beispielsweise für eine Magnesiumlegierung mit 9 % Aluminium und 1 % Zink. Neben den Bezeichnungen gemäß ASTM-Norm gibt es noch eine weitereNomenklatur, bei der die chemische Zusammensetzung benannt wird mit „Mg“ an erster Stelle und anschließend den Legierungselementen mit ihren Prozentsätzen, also für die o. g. Legierung MgAl9Zn1. Was die Legierungselemente im Hinblick auf die Werkstoffeigenschaften bewirken, ist der Tabelle ebenfalls zu entnehmen.
Buchstabe
Legierungselement
Auswirkung
A
Aluminium
verbessert die Festigkeit, die Härte, die Gießbarkeit und die Korrosionsbeständigkeit
C
Kupfer
wird nur selten verwendet, verringert die Korrosionsbeständigkeit
E
Seltene Erden
ermöglichen die Ausscheidungshärtung zur Steigerung der Festigkeit
K
Zirkonium
verringert die Korngröße und steigert damit die Festigkeit
L
Lithium
erhöht die Festigkeit durch Ausscheidungshärtung, verringert die Dichte
M
Mangan
steigert die Korrosionsbeständigkeit
N
Nickel
wird selten verwendet, verringert die Korrosionsbeständigkeit
Q
Silber
erhöht die Kriechfestigkeit, verringert die Korrosionsbeständigkeit
S
Silizium
verschlechtert die Gießbarkeit, erhöht die Kriechbeständigkeit
W
Yttrium
ermöglicht die Ausscheidungshärtung zur Steigerung der Festigkeit
Z
Zink
verbessert die Festigkeit und die Gießbarkeit
DieKnetlegierungen sind bisher vergleichsweise von geringer Bedeutung, da sie bei Raumtemperatur nicht umformbar sind. Sie müssen bei Temperaturen oberhalb von rund 250 °C durchStrangpressen,Walzen oderSchmieden verarbeitet werden, wobei ein hoher technischer Aufwand entsteht.
Bei denGusslegierungen werden vorwiegend diese beiden Legierungsgruppen verwendet:
Mg-Al-Zn: mit guter Gießbarkeit und guter Festigkeit (AZ91 und AZ81 sind von großer technischer Bedeutung)
Mg-Al-Mn: mit durch Mangan verbesserter Korrosionsbeständigkeit, vergleichsweise hoher Bruchdehnung aber verringerter Festigkeit (AM60, AM50 und AM20 sind am geläufigsten)
Der früher verwendete Mg-Al-Si-Typ (Motorblock desVW Käfers) wird wegen seiner geringen Festigkeit nur noch selten verwendet. Mit Neuentwicklungen, die Seltene Erden oder Lithium als Legierungselemente enthalten, wird aktuell versucht, die mechanischen Eigenschaften und die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern.
Eigenschaften und Anwendungen
Die wichtigste Eigenschaft von Magnesiumlegierungen, die ihnen neben Aluminium und seinen Legierungen zu einer Bedeutung verholfen hat, ist der mit ihnen mögliche Leichtbau. Mit einer Dichte von rund 1,75 g/cm³ ist der Unterschied zu Aluminiumleichtbau mit einer Dichte um 2,75 g/cm³ deutlich. Hinzu kommt, dass der Schmelzbereich zwischen 430 und 630 °C, also energiesparend niedriger liegt, und dass sich die Schmelze auch bei komplizierten Bauteilgeometrien leicht vergießen lässt. Die geringere Dichte machte Magnesium schon früh für mobile Anwendungen interessant. Die mechanischen Kennwerte fürZugfestigkeit,Elastizitätsmodul,Bruchdehnung undHärte liegen jedoch niedriger als beiAluminiumlegierungen.
Die erste Großanwendung fand schon vor demErsten Weltkrieg beim Bau des Gerüstes für die starrenZeppelinluftschiffe statt. In Kraftfahrzeugen nutzte man Magnesiumlegierungen zur Herstellung von Gehäuseteilen sowie zur Herstellung von Felgen für Mobile aller Art. Nach 1930 verwendete man Magnesiumlegierungen zunehmend im Flugzeugbau, denn die mit ihnen möglichen Gewichtseinsparungen erlaubten energieeffizientere Flüge wie auch höhere Zuladung. All dies führte zu einem raschen Ausbau der Magnesiumerzeugung in Deutschland (Elektron aus derChemischen Fabrik Griesheim) und nach 1940 auch in den USA. „Elektron“ wurde unmittelbar nach Produktionsanlauf zummarkenrechtlich geschützten Namen für die ersten Magnesiumlegierungen.
Andere Verwendungsmöglichkeiten für Magnesiumguss boten sich im Zuge der technischen Entwicklung an, teils kriegsbedingt, teils konstruktiv vorausschauend und zugleich die Legierungen optimierend. Als Werkstoffe auf Magnesiumbasis wurden die Legierungen Mg-Al-, Mg-Al-Mn-, Mg-Al-Si-, Mg-Zn- und schließlich Mg-Al-Zn-Legierungen entwickelt.
Zylinderblock eines BMW-Serie-N52-Motors. Die Außenzonen sind aus Magnesium.
DasGetriebegehäuse und derMotorblock desVW Käfers wurde in Millionenauflage aus einer Mg-Al-Si-Legierung gegossen. Heute werden Magnesiumlegierungen nicht allein unter dem Gesichtspunkt Gewichtsersparnis verwendet, sondern sie zeichnen sich zudem durch hohe Dämpfung aus. Dies führt bei Schwingungsbelastung zu einer Verringerung der Vibration und Geräuschemission. Auch aus diesem Grunde sind Magnesiumlegierungen interessante Werkstoffe im Motorenbau, wie überhaupt im Automobilbau, geworden. So werden nicht nur Teile des Motors aus Magnesiumlegierung hergestellt, sondern zunehmend auch für den Guss von Motorblöcken dasHybridverfahren/Hybridguss angewendet, erstmals in der Großserie imAlfa Romeo 156, später auch bei BMW (siehe hierzu auchBMW N52).
Kameragehäuse (Samsung NX1) aus einer Magnesium-Legierung gegossen.
ImDruckgießverfahren (siehe auch unterFormguss) lassen sich viele, auch großflächige, dünnwandige Bauteile endabmessungsnah und ohne kostenintensive Nachbearbeitung herstellen, so z. B. Felgen, Profile, Gehäuse, Türen, Motorhauben, Kofferraumdeckel, Handbremshebel und anderes. Für Außenhautbauteile ist dabei ein spezieller Korrosionsschutz erforderlich. Außer im Fahrzeugbau werden Magnesiumlegierungen im Maschinenbau, in der Feinwerktechnik oder für Gehäuse von Kettensägen, Notebooks, Smartphones und Kameras (siehe Abbildung) angewendet[27][28].
Die Bestrebungen nach Leichtbau führten Ende des 20. Jahrhunderts zur Entwicklung vonMagnesium-Lithium-Legierungen, d. h. noch leichteren Legierungen aus Magnesium mit Zusatz vonLithium. Aufgrund ihrer hohen Herstellkosten werden sie bisher fast ausschließlich in der Luft- und Raumfahrt sowie für die Militärtechnik verwendet.
Magnesiumwerkstoffe in der Medizin
Jüngste Forschungen versprechen ein hohes Entwicklungspotenzial von Magnesiumwerkstoffen als resorbierbaresImplantatmaterial (z. B. alsStent) für den menschlichen Körper. Das Korrosionsverhalten ist 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. DieKorrosionsrate sowie alle Legierungselemente müssen dabei biologisch verträglich sein. Etablierte Legierungselemente sind Calcium und Zink[29], Seltene Erden und Silber werden jedoch auch untersucht.[30]
Magnesium gehört zu denessentiellen Stoffen und ist daher für alle Organismen unentbehrlich. Im Blattgrün der Pflanzen, demChlorophyll, ist Magnesium zu etwa 2 % enthalten. Dort bildet es das Zentralatom des Chlorophylls. BeiMagnesiummangelvergeilen Pflanzen ebenso wie auch bei Lichtmangel. Auch dem menschlichen Körper muss Magnesium täglich in ausreichender Menge zugeführt werden, um Magnesiummangel vorzubeugen. Es wirkt imStoffwechsel als natürlicherCalciumantagonist.
Magnesium ist einMengenelement, und der Körper eines Erwachsenen enthält etwa 25 g Magnesium (zum Vergleich: 1–1,1 kgCalcium). Der größte Anteil (60 %) ist im Knochen inHydroxylapatit (Ca-Ionen teilweise durch Mgsubstituiert) sowie in Muskeln gespeichert.[32]
Um eineHomöostase zu halten, müssen täglich 400 mg Magnesium aufgenommen werden, von denen 120 mg imDünndarm aufgenommen, aber dort auch 20 mgsezerniert werden, so dass die Netto-Aufnahme täglich bei 100 mg liegt.
Täglich werden in denNieren 2,4 g Magnesium filtriert, aber 2,3 g wieder aufgenommen, so dass täglich 100 mg über denUrin ausgeschieden werden.
Ein erhöhter Magnesiumspiegel wird alsHypermagnesiämie bezeichnet und ist sehr selten. Dies kommt eigentlich nur beinierenkranken Patienten vor, die mit Magnesium-retinierenden Medikamenten behandelt werde.
DieMagnesiumresorption findet zuerst im oberenDünndarm statt, aber auch im übrigen Verdauungstrakt.[34] Es wird über die Nieren ausgeschieden und ist in unterschiedlichen Mengen in allen Nahrungsmitteln sowie im Trinkwasser enthalten. Die erforderliche Tagesdosis von circa 300 mg wird in der Regel durch eine ausgewogene Ernährung erreicht. Ein erhöhter Bedarf kann überNahrungsergänzungsmittel oder Medikamente gedeckt werden. Leichter Magnesiummangel ist durch schwere Erkrankung, Schwangerschaft oder Leistungssport möglich. Schwere Mangelzustände treten bei Nierenfunktionsstörungen, langandauerndem Durchfall, chronischen Darmentzündungen, schlecht eingestelltem Diabetes mellitus,Kortikoiden, bestimmtenDiuretika oder Alkoholismus mit Fehlernährung auf.[35]
Magnesiumsalze wie etwaCitrat,Gluconat,Aspartat und Aspartathydrochlorid sind in Deutschland als Arzneimittel in Tagesdosen von 100 mg bis 400 mg zugelassen gegen Mangelzustände und neuromuskuläre Störungen, wie z. B. Muskelkrämpfe,Migräne oderSchwangerschaftskomplikationen. Nebenwirkungen sind Magen-Darm-Beschwerden und Durchfall, bei Überdosierung auch Müdigkeit und verlangsamter Puls.Kontraindikationen sind Nierenfunktionsstörung sowie bestimmte Herzrhythmusstörungen.
Magnesium-Substitution
Bei oraler Aufnahme von Magnesiumpräparaten (Tabletten, Kau- oder Lutschtabletten, Granulat zum Auflösen in Flüssigkeit) ist die Dosierung wichtig. Verschiedene Studien kommen zu dem Ergebnis, dass bei einer Einnahme von 120 mg circa 35 % (42 mg)resorbiert werden, jedoch bei Einnahme einer kompletten Tagesdosis von 360 mg nur noch circa 18 % (65 mg).[36] Für die Resorption im Körper ist die Art der heute in Medikamenten gebräuchlichen Magnesiumverbindungen unerheblich, denn sie sind sowohl pharmakologisch wie auch biologisch und klinisch äquivalent; organische Magnesiumsalze wie etwaMagnesiumaspartat oderMagnesiumcitrat werden lediglich schneller vom Körper aufgenommen als anorganische Magnesiumsalze.[34] Außerdem verbleibt das zusätzliche Magnesium nur dann nutzbringend im Körper, wenn genug bindende Moleküle im Körper zur Verfügung stehen; dies geschieht durch biochemische Anpassungen erst nach längerer Erhöhung des Magnesiumangebots bzw. nach Einnahme über wenigstens vier Wochen.[34]
Magnesiumsulfat („Bittersalz“) war früher als Abführmittel gebräuchlich und wird zur Behandlung von Herzrhythmusstörungen[37] eingesetzt.
Die Kombination mitTaurin ergibt eine funktionelleSynergie, weshalb die VerbindungMagnesiumtaurat im Handel angeboten wird.
Magnesium (Mg2+) dient etwa 300 verschiedenenProteinen alsCofaktor, vor allem beiATP- undNukleinsäure-bindendenEnzymen. Die empfohlene tägliche Zufuhr von Magnesium beträgt beim Menschen je nach Alter und Geschlecht zwischen 24 und 400 mg pro Tag.[38] Mg2+ ist als die ionisierte Form von Magnesium auch ein wesentlicher Cofaktor für die Synthese und enzymatischeAktivierung und Deaktivierung von Vitamin D.
Magnesium kommt als Verbindung in Lebensmitteln relativ häufig vor. Die Absorptionsrate aus der Nahrung variiert dabei je nach Form und Bindung, insbesonderePhytate hemmen unbehandelt dieMagnesiumaufnahme.[36][39]
Die Gefährlichkeit von elementarem Magnesium hängt stark von der Temperatur und der Teilchengröße ab: kompaktes Magnesium ist bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes ungefährlich, während Magnesiumspäne und -pulverleichtentzündlich sind. Bedingt durch die große Oberfläche können letztere leicht mit dem Sauerstoff der Luft reagieren. Bei sehr feinem Magnesiumpulver besteht nicht nur die Gefahr derSelbstentzündung, im aufgewirbelten Zustand kann es eine explosionsfähige Mischung bilden (Staubexplosion). Diese Luft-Pulver-Gemische sindexplosionsgefährlich.Phlegmatisierung ist eine die Gefahr herabsetzende Behandlung bei der Verarbeitung von Magnesium-, wie Metallpulvern überhaupt. Geschmolzenes Magnesium entzündet sich ebenfalls von selbst an der Luft. Auch mit vielen anderen Stoffen, beispielsweise Wasser und anderen sauerstoffhaltigen Verbindungen, reagiert feinkörniges oder erhitztes Magnesium. Magnesiumschmelzen bedürfen daher einer permanenten Sicherung gegen Zutritt von Luftsauerstoff. In der Praxis erfolgt dies durch Abdeckung der Schmelze mittels magnesiumchloridreicher Mittel.Schwefelhexafluorid ist ebenfalls als Oxidationsschutz geeignet. Das früher übliche Abdecken mit elementarem Schwefel wird wegen der starken Belästigung durch entstehendes Schwefeldioxid nicht mehr praktiziert.
Bei Magnesiumbränden treten Temperaturen bis zu etwa 3000 °C auf. Keinesfalls dürfen gängige Löschmittel wieWasser,Kohlenstoffdioxid,Schaum oderStickstoff verwendet werden, da Magnesium heftig mit diesen reagiert.Bei Zutritt von Wasser zu einem Magnesiumbrand besteht die akute Gefahr einerKnallgasreaktion.
Für den Brand (Metallbrände) einer Schmelze gilt das Löschprinzip des Erstickens, also die rasche Sauerstoffverdrängung. Im einfachsten Fall durch Abdecken mit trockenem Sand, sonst mittels Aufbringung eines Abdecksalzes für Magnesiumschmelzen. Weiter geeignet sindLöschpulver der Brandklasse D, Magnesiumoxid-Pulver (Magnesia usta/gebrannte Magnesia), notfalls auch trockene rostfreieGraugussspäne.
Bei der Verwendung von Magnesium sind insofern alle gegebenen Sicherheitshinweise genau zu befolgen. Es darf unter keinen Umständen eine explosive Atmosphäre (Magnesiumstaub, Wasserstoff, Aerosole und Dämpfe brennbarer Kühlschmierstoffe) entstehen. Auch die normalenArbeitsschutzmaßnahmen, wie die Vermeidung vonZündquellen, müssen beachtet werden.
Nachweis
Fast alle Magnesiumnachweise werden durch andere Elemente gestört, weshalb Magnesium von anderen Ionen abgetrennt werden muss. ImKationentrennungsgang findet sich Magnesium in der löslichen Gruppe wieder. Führt man den Trennungsgang vollständig durch, so sind nur noch, falls überhaupt, Ammonium-, Natrium-, Kalium-, Lithium- und Magnesiumionen vorhanden. Nach dem Entfernen von Ammoniumionen durch Abrauchen der festen Substanz über offener Flamme kann man Magnesium als schwer lösliches Hydroxid von denAlkalimetallen abtrennen.
Magnesium kann man zum einen durch die Bildung schwerlöslicher Verbindungen nachweisen:
Versetzt man eine Magnesiumionenlösung mit Carbonat-Ionen, so fällt ein basisches Magnesiumcarbonat wechselnder Zusammensetzung aus, das sich in Säuren oder Ammoniumchlorid wieder auflöst. In Anwesenheit von Ammoniumsalzen erfolgt keine Fällung.
Gibt man zu MagnesiumionenQuecksilber(II)-oxid, so bildet sich in schwach ammoniakalischer Lösung das schwer lösliche Magnesiumhydroxid. Diese Fällungsreaktion eignet sich gut zur Abtrennung von den Alkalimetallen.
Durch Hinzufügen von Natriumhydrogenphosphat zu einer ammoniakalischen, Ammoniumchlorid-gepufferten Magnesiumionenlösung, so kann weißes Magnesiumammoniumphosphat gefällt werden. Da viele andere Kationen, wie Lithium-, Mangan- oder Zinkionen in ammoniakalischer Lösung ebenfalls Fällungen mit Phosphat ergeben, müssen sie vorher abgetrennt werden.
Zum anderen kann man Magnesium mittels organischer Reagenzien nachweisen:
Magnesiumionen bilden in ammoniakalischer Lösung mitOxin einen schwer löslichen grünlich-gelben Chelatkomplex. Diese Fällung eignet sich besonders gut zur Abtrennung des Magnesiums von Alkali-Ionen. Allerdings bilden auch viele Schwermetalle einen schwer löslichen Niederschlag und müssen vorher abgetrennt werden.
MitMagneson II ergeben Magnesiumionen in stark alkalischer Lösung einen kornblumenblauen Farblack. Auch hier stören zahlreiche Schwermetalle sowie Aluminium-, Calcium- und Berylliumionen und müssen vorher abgetrennt werden.
Mit alkalischerChinalizarin-Lösung bildet Magnesium einen blauen Farblack. Der Nachweis wird von Alkali-, Erdalkali- und Aluminiumionen gestört.
In alkalischer Lösung entsteht ausTitangelb und Mangesiumionen ein hellroter Farblack. Cobalt-, Mangan-, Nickel- und Zinkionen stören und müssen vorher als Sulfide gefällt und mit Cyanid-Ionen maskiert werden.[40]
Magnesiapulver wirdLebensmitteln alsSäureregulator oderTrennmittel zugesetzt. Aus Magnesiumoxid-Keramik werden verschiedene hitzebeständige Gegenstände für Labors und Industrie hergestellt.
Bei derKalkung von Acker- und Grünlandflächen kommt Magnesium in Form vonMagnesiumoxid oderMagnesiumcarbonat zum Einsatz, um den Magnesiumentzug desBodens durch diePflanzen wieder auszugleichen. Weiterhin wird derBoden-pH-Wert angehoben und die Verfügbarkeit weiterer Nährstoffe verbessert. Hierbei wird die Magnesiumverbindung meist zusammen mit Kalk als magnesium- und calciumhaltigerMehrnährstoffdünger angewendet.[43] Auch das natürlich alsBobierrit vorkommende Magnesiumphosphat Mg3(PO4)2 (Trimagnesiumphosphat)[44] sowieMagnesiumnitrat[45] werden als Mehrnährstoffdünger verwendet.
Magnesiumorganyle sindmetallorganische Verbindungen, in denen eineBindung zwischen Magnesium undKohlenstoff existiert. Unter den Magnesiumorganylen kommtGrignard-Verbindungen (R-Mg-X) die weitaus größte Bedeutung zu. Eine deutlich untergeordnete Rolle spielen binäre Magnesiumorganyle sowie Alkenylmagnesiumhalogenide.
Das erzeugte Magnesium-Butadien, auch (2-Buten-1,4-diyl)magnesium genannt, kann als Quelle für Butadien-Anionen in weiterenSynthesen dienen. Analog dazu wird das orangegelbeMagnesiumanthracen dargestellt.[60] Magnesiumanthracen kann anschließend alsKatalysator fürHydrierung von Magnesium benutzt werden.
Alkenylmagnesiumhalogenide
Alkine reagieren im Rahmen der sogenannten Carbomagnesierung mit Alkinen zu Alkenylmagnesiumhalogeniden:[61]
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↑Hugo Strunz, Ernest H. Nickel:Strunz Mineralogical Tables. Chemical-structural Mineral Classification System. 9. Auflage. E. Schweizerbart’sche Verlagsbuchhandlung (Nägele u. Obermiller), Stuttgart 2001,ISBN 3-510-65188-X,S.287.
↑Reuben D. Rieke:Preparation of highly reactive metal powders and their use in organic and organometallic synthesis. In:Accounts of Chemical Research. Band 10, Nummer 8, August 1977, S. 301–306,doi:10.1021/ar50116a005.
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↑K. Fujita et al.:Magnesium-butadiene addition compounds: Isolation, structural analysis and chemical reactivity. In:Journal of Organometallic Chemistry. Band 113, Nummer 3, Juni 1976, S. 201–213,doi:10.1016/S0022-328X(00)87329-5.
↑Franz v. Bruchhausen et al.:Hagers Handbuch der Pharmazeutischen Praxis Folgeband 5: Stoffe L-Z. Springer-Verlag, 2013,ISBN 978-3-642-58388-9,S.86 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
