Magnésio: história, estrutura, propriedades, reações, usos - Ciência - 2023

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o magnésio É um metal alcalino-terroso que pertence ao grupo 2 da tabela periódica. Seu número atômico é 12 e é representado pelo símbolo químico Mg. É o oitavo elemento mais abundante na crosta terrestre, cerca de 2,5% dele.

Este metal, assim como seus congêneres e os metais alcalinos, não é encontrado na natureza em seu estado nativo, mas se combina com outros elementos para formar inúmeros compostos presentes nas rochas, na água do mar e na salmoura.

O magnésio faz parte de minerais como dolomita (carbonato de cálcio e magnésio), magnesita (carbonato de magnésio), carnalita (cloreto de magnésio e potássio hexa-hidratado), brucita (hidróxido de magnésio) e em silicatos como talco e olivina.

Sua fonte natural mais rica em sua extensão é o mar, que tem uma abundância de 0,13%, embora o Grande Lago Salgado (1,1%) e o Mar Morto (3,4%) tenham uma maior concentração de magnésio. Existem salmouras com alto teor de sal, que se concentram por evaporação.

O nome magnésio provavelmente deriva de magnesita, encontrada na Magnésia, na região da Tessália, antiga região da Grécia. Porém, foi apontado que magnetita e manganês foram encontrados na mesma região.

O magnésio reage fortemente com o oxigênio em temperaturas acima de 645 ° C. Enquanto isso, o pó de magnésio queima no ar seco, emitindo uma luz branca intensa. Por este motivo, foi utilizado como fonte de luz na fotografia. Atualmente, esta propriedade ainda é usada em pirotecnia.

É um elemento essencial para os seres vivos. É conhecido por ser um cofator para mais de 300 enzimas, incluindo várias enzimas da glicólise. Este é um processo vital para os seres vivos devido à sua relação com a produção de ATP, principal fonte de energia celular.

Da mesma forma, faz parte de um complexo semelhante ao grupo heme da hemoglobina, presente na clorofila. Este é um pigmento que está envolvido na fotossíntese.

História

Reconhecimento

Joseph Black, um químico escocês, em 1755 o reconheceu como um elemento, demonstrando experimentalmente que era diferente do cálcio, metal com o qual o confundiram.

A esse respeito, Black escreveu: "Já vemos por experiência que a magnésia alba (carbonato de magnésio) é um composto de uma terra peculiar e ar fixo".

Isolamento

Em 1808, Sir Humprey Davy conseguiu isolá-lo usando eletrólise para produzir um amálgama de magnésio e mercúrio. Ele fez isso eletrolisando seu sal de sulfato úmido com o uso de mercúrio como cátodo. Posteriormente, evaporou o mercúrio do malgama por aquecimento, deixando o resíduo de magnésio.

A. Bussy, um cientista francês, conseguiu produzir o primeiro magnésio metálico em 1833. Para fazer isso, Bussy produziu a redução do cloreto de magnésio fundido com potássio metálico.

Em 1833, o cientista britânico Michael Faraday utilizou pela primeira vez a eletrólise de cloreto de magnésio para o isolamento desse metal.

Produção

Em 1886, a empresa alemã Aluminium und Magnesiumfabrik Hemelingen utilizou a eletrólise da carnalita (MgCl₂KCl 6H₂O) derretido para produzir magnésio.

A Hemelingen, em parceria com o Complexo Industrial Farbe (IG Farben), conseguiu desenvolver uma técnica para produzir grandes quantidades de cloreto de magnésio fundido para eletrólise para a produção de magnésio e cloro.

Durante a Segunda Guerra Mundial, a Dow Chemical Company (EUA) e a Magnesium Elektron LTD (Reino Unido) começaram a redução eletrolítica da água do mar; bombeado de Galveston Bay, Texas e no Mar do Norte para Hartlepool, Inglaterra, para a produção de magnésio.

Ao mesmo tempo, Ontário (Canadá) cria uma técnica para produzi-lo com base no processo de L. M. Pidgeon. A técnica consiste na redução térmica do óxido de magnésio com silicatos em retortas de queima externa.

Estrutura e configuração eletrônica do magnésio

O magnésio se cristaliza em uma estrutura hexagonal compacta, onde cada um de seus átomos é circundado por doze vizinhos. Isso o torna mais denso do que outros metais, como lítio ou sódio.

Sua configuração eletrônica é [Ne] 3s², com dois elétrons de valência e dez da camada interna. Por ter um elétron extra em comparação com o sódio, sua ligação metálica se torna mais forte.

Isso porque o átomo é menor e seu núcleo tem mais um próton; portanto, exercem um efeito de atração maior sobre os elétrons dos átomos vizinhos, o que contrai as distâncias entre eles. Além disso, como há dois elétrons, a banda 3s resultante está cheia e é capaz de sentir ainda mais a atração dos núcleos.

Então, os átomos de Mg acabam formando um cristal hexagonal denso com uma forte ligação metálica. Isso explica seu ponto de fusão muito mais alto (650 ºC) do que o do sódio (98 ºC).

Todos os orbitais 3s de todos os átomos e seus doze vizinhos se sobrepõem em todas as direções dentro do cristal, e os dois elétrons partem quando dois outros vêm; assim por diante, sem que os cátions de Mg sejam capazes de se originar²⁺.

Números de oxidação

O magnésio pode perder dois elétrons ao formar compostos e se tornar o cátion Mg.²⁺, que é isoeletrônico ao gás nobre neon. Ao considerar sua presença em qualquer composto, o número de oxidação do magnésio é +2.

Por outro lado, e embora menos comum, o cátion Mg pode ser formado⁺, que perdeu apenas um de seus dois elétrons e é isoeletrônico ao sódio. Quando sua presença é assumida em um composto, diz-se que o magnésio tem um número de oxidação +1.

Propriedades

Aparência física

Sólido branco brilhante em seu estado puro, antes de oxidar ou reagir com o ar úmido.

Massa atômica

24,304 g / mol.

Ponto de fusão

650 ° C

Ponto de ebulição

1.091 ° C

Densidade

1.738 g / cm³ à temperatura ambiente. E 1.584 g / cm³ à temperatura de fusão; isto é, a fase líquida é menos densa que a fase sólida, como é o caso da grande maioria dos compostos ou substâncias.

Calor de fusão

848 kJ / mol.

Calor da vaporização

128 kJ / mol.

Capacidade calórica molar

24,869 J / (mol · K).

Pressão de vapor

Em 701 K: 1 Pa; ou seja, sua pressão de vapor é muito baixa.

Eletro-negatividade

1,31 na escala de Pauling.

Energia de ionização

Primeiro nível de ionização: 1.737,2 kJ / mol (Mg⁺ gasoso)

Segundo nível de ionização: 1.450,7 kJ / mol (Mg²⁺ gasoso e requer menos energia)

Terceiro nível de ionização: 7.732,7 kJ / mol (Mg³⁺ gasoso e requer muita energia).

Rádio atômico

160 pm.

Raio covalente

141 ± 17 pm

Volume atômico

13,97 cm³/ mol.

Expansão térmica

24,8 µm / m · K a 25 ° C

Condutividade térmica

156 W / m K.

Resistividade elétrica

43,9 nΩ · m a 20 ° C

Condutividade elétrica

22,4×10⁶ S cm³.

Dureza

2,5 na escala de Mohs.

Nomenclatura

O magnésio metálico não tem outros nomes atribuídos. Os seus compostos, por se considerar que na sua maioria possuem um número de oxidação +2, são mencionados pela nomenclatura stock sem a necessidade de expressar o referido número entre parênteses.

Por exemplo, MgO é óxido de magnésio e não óxido de magnésio (II). De acordo com a nomenclatura sistemática, o composto anterior é: monóxido de magnésio e não monóxido de monomagnésio.

Do lado da nomenclatura tradicional, o mesmo ocorre com a nomenclatura de estoque: os nomes dos compostos terminam da mesma forma; isto é, com o sufixo –ico. Assim, MgO é óxido de magnésio, de acordo com esta nomenclatura.

Caso contrário, os demais compostos podem ou não ter nomes comuns ou mineralógicos, ou consistir em moléculas orgânicas (compostos organomagnésicos), cuja nomenclatura depende da estrutura molecular e dos substituintes alquil (R) ou aril (Ar).

Com relação aos compostos de organomagnésio, quase todos são reagentes de Grignard com a fórmula geral RMgX. Por exemplo, o BrMgCH₃ é brometo de metilmagnésio. Observe que a nomenclatura não parece tão complicada no primeiro contato.

Formas

Ligas

O magnésio é utilizado em ligas por ser um metal leve, sendo utilizado principalmente em ligas com alumínio, o que melhora as características mecânicas desse metal. Também tem sido usado em ligas com ferro.

No entanto, seu uso em ligas diminuiu devido à tendência de corroer em altas temperaturas.

Minerais e compostos

Devido à sua reatividade, não é encontrado na crosta terrestre em sua forma nativa ou elementar. Em vez disso, é parte de vários compostos químicos, que por sua vez estão localizados em cerca de 60 minerais conhecidos.

Entre os minerais mais comuns de magnésio estão:

-Dolomita, um carbonato de cálcio e magnésio, MgCO₃·Ladrao₃

-Magnesita, um carbonato de magnésio, CaCO₃

-Brucite, um hidróxido de magnésio, Mg (OH)₂

-carnalita, um cloreto de magnésio e potássio, MgCl₂KClH₂OU.

Além disso, pode estar na forma de outros minerais, como:

-Kieserite, um sulfato de magnésio, MgSO₄H₂OU

-Forsterita, um silicato de magnésio, MgSiO₄

-Crisotila ou amianto, outro silicato de magnésio, Mg₃sim₂OU₅(OH)₄

-Talc, Mg₃sim₁₄OU₁₁₀(OH)₂.

Isótopos

O magnésio é encontrado na natureza como uma combinação de três isótopos naturais: ²⁴Mg, com abundância de 79%;²⁵Mg, com abundância de 11%; e ele²⁶Mg, com abundância de 10%. Além disso, existem 19 isótopos radioativos artificiais.

Papel biológico

Glicolise

O magnésio é um elemento essencial para todas as coisas vivas. Os seres humanos têm uma ingestão diária de 300-400 mg de magnésio. Seu conteúdo corporal é compreendido entre 22 e 26 g, em um ser humano adulto, concentrado principalmente no esqueleto ósseo (60%).

A glicólise é uma sequência de reações em que a glicose é transformada em ácido pirúvico, com uma produção líquida de 2 moléculas de ATP. Piruvato quinase, hexoquinase e fosfofruto quinase são enzimas, entre outras, da glicólise que utilizam o Mg como ativador.

DNA

O DNA é composto por duas cadeias de nucleotídeos que possuem grupos fosfato carregados negativamente em sua estrutura; portanto, as fitas de DNA sofrem repulsão eletrostática. Na íons⁺, K⁺ e Mg²⁺, neutraliza as cargas negativas, evitando a dissociação das cadeias.

ATP

A molécula de ATP possui grupos fosfato com átomos de oxigênio carregados negativamente. Uma repulsão elétrica ocorre entre os átomos de oxigênio vizinhos que podem clivar a molécula de ATP.

Isso não acontece porque o magnésio interage com os átomos de oxigênio vizinhos, formando um quelato. ATP-Mg é considerada a forma ativa de ATP.

Fotossíntese

O magnésio é essencial para a fotossíntese, um processo central no uso de energia pelas plantas. Faz parte da clorofila, que possui em seu interior uma estrutura semelhante ao grupo heme da hemoglobina; mas com um átomo de magnésio no centro em vez de um átomo de ferro.

A clorofila absorve a energia da luz e a usa na fotossíntese para converter dióxido de carbono e água em glicose e oxigênio. A glicose e o oxigênio são posteriormente usados na produção de energia.

Organismo

Uma diminuição na concentração plasmática de magnésio está associada a espasmos musculares; doenças cardiovasculares, como hipertensão; diabetes, osteoporose e outras doenças.

O íon magnésio está envolvido na regulação do funcionamento dos canais de cálcio nas células nervosas. Em altas concentrações, ele bloqueia o canal de cálcio. Pelo contrário, uma diminuição do cálcio produz uma ativação do nervo, permitindo que o cálcio entre nas células.

Isso explicaria o espasmo e a contração das células musculares nas paredes dos principais vasos sanguíneos.

Onde encontrar e produção

O magnésio não é encontrado na natureza em estado elementar, mas faz parte de aproximadamente 60 minerais e inúmeros compostos, localizados no mar, rochas e salmouras.

O mar tem uma concentração de magnésio de 0,13%. Devido ao seu tamanho, o mar é o principal reservatório de magnésio do mundo. Outros reservatórios de magnésio são o Great Salt Lake (EUA), com concentração de magnésio de 1,1%, e o Mar Morto, com concentração de 3,4%.

Minerais de magnésio, dolomita e magnesita, são extraídos de seus veios usando métodos tradicionais de mineração. Já na carnalita são utilizadas soluções que permitem que os outros sais venham à superfície, mantendo a carnalita em segundo plano.

Salmouras contendo magnésio são concentradas em tanques usando aquecimento solar.

O magnésio é obtido por dois métodos: eletrólise e redução térmica (processo Pidgeon).

Eletrólise

Sais fundidos contendo cloreto de magnésio anidro, cloreto de magnésio anidro parcialmente desidratado ou a carnalita mineral anidra são usados nos processos de eletrólise. Em algumas circunstâncias, para evitar a contaminação da carnalita natural, utiliza-se a artificial.

O cloreto de magnésio também pode ser obtido seguindo o procedimento desenvolvido pela empresa Dow. A água é misturada em um floculador com o mineral dolomita ligeiramente calcinado.

O cloreto de magnésio presente na mistura é transformado em Mg (OH)₂adicionando hidróxido de cálcio, de acordo com a seguinte reação:

MgCl₂ + Ca (OH)₂ → Mg (OH)₂ + CaCl₂

O hidróxido de magnésio precipitado é tratado com ácido clorídrico, produzindo cloreto de magnésio e água, de acordo com a reação química descrita:

Mg (OH)₂ + 2 HCl → MgCl₂ + 2 H₂OU

Em seguida, o cloreto de magnésio é submetido a um processo de desidratação até atingir 25% de hidratação, completando a desidratação durante o processo de fundição. A eletrólise é realizada a uma temperatura que varia entre 680 a 750 ºC.

MgCl₂ → Mg + Cl₂

O cloro diatômico é gerado no ânodo e o magnésio fundido flutua no topo dos sais, onde é coletado.

Redução térmica

No processo Pidgeon, a dolomita moída e calcinada é misturada com ferrossilício finamente moído e colocada em retortas cilíndricas de níquel-cromo-ferro. As retortas são colocadas dentro de um forno e estão em série com condensadores localizados fora do forno.

A reação ocorre a uma temperatura de 1200 ° C e a uma pressão baixa de 13 Pa. Os cristais de magnésio são removidos dos condensadores. A escória produzida é coletada do fundo das retortas.

2 CaO + 2 MgO + Si → 2 Mg (gasoso) + Ca₂sim₄ (Dejetos humanos)

Os óxidos de cálcio e magnésio são produzidos pela calcinação dos carbonatos de cálcio e magnésio presentes na dolomita.

Reações

O magnésio reage vigorosamente com ácidos, especialmente oxácidos. Sua reação com ácido nítrico produz nitrato de magnésio, Mg (NO₃)₂. Da mesma forma, ele reage com o ácido clorídrico para produzir cloreto de magnésio e gás hidrogênio.

O magnésio não reage com álcalis, como o hidróxido de sódio. À temperatura ambiente é recoberto por uma camada de óxido de magnésio, insolúvel em água, que o protege da corrosão.

Forma compostos químicos, entre outros elementos, com cloro, oxigênio, nitrogênio e enxofre. É altamente reativo com oxigênio em altas temperaturas.

Formulários

- Magnésio elementar

Ligas

Ligas de magnésio têm sido usadas em aviões e automóveis. Estes últimos têm como requisito para o controle das emissões de gases poluentes, a redução do peso dos veículos automotores.

As aplicações do magnésio são baseadas em seu baixo peso, alta resistência e facilidade de fabricação de ligas. As aplicações incluem ferramentas manuais, artigos esportivos, câmeras, eletrodomésticos, armações de bagagem, peças automotivas, itens para a indústria aeroespacial.

As ligas de magnésio também são utilizadas na fabricação de aviões, foguetes e satélites espaciais, bem como em gravuras para produzir uma gravação rápida e controlada.

Metalurgia

O magnésio é adicionado em uma pequena quantidade ao ferro branco fundido, o que melhora sua resistência e maleabilidade. Além disso, o magnésio misturado à cal é injetado no ferro líquido do alto-forno, melhorando as propriedades mecânicas do aço.

O magnésio está envolvido na produção de titânio, urânio e háfnio. Atua como agente redutor do tetracloreto de titânio, no processo Kroll, para dar origem ao titânio.

Eletroquímica

O magnésio é usado em uma célula seca, agindo como ânodo e o cloreto de prata como cátodo. Quando o magnésio entra em contato elétrico com o aço na presença de água, ele se corroe sacrificialmente, deixando o aço intacto.

Este tipo de proteção de aço está presente em navios, tanques de armazenamento, aquecedores de água, estruturas de pontes, etc.

Pirotecnia

O magnésio em pó ou em faixa queima, emitindo uma luz branca muito intensa. Esta propriedade tem sido usada em pirotecnia militar para atear fogo ou iluminação por sinalizadores.

Seu sólido finamente dividido tem sido usado como componente de combustível, especialmente em propelentes sólidos de foguetes.

- Compostos

Carbonato de Magnésio

É utilizado como isolante térmico em caldeiras e tubulações. Por ser higroscópico e solúvel em água, é utilizado para evitar que o sal comum se comprima nos saleiros e não escorra adequadamente durante o tempero dos alimentos.

Hidróxido de magnésio

Tem aplicação como retardante de fogo. Dissolvido em água, forma o conhecido leite de magnésia, uma suspensão esbranquiçada que tem sido usada como antiácido e laxante.

Cloreto de magnésio

É utilizado na fabricação de cimento para pisos de alta resistência, bem como aditivo na fabricação de tecidos. Além disso, é usado como floculante no leite de soja para a produção de tofu.

Óxido de magnésio

É utilizado na fabricação de tijolos refratários para resistir a altas temperaturas e como isolante térmico e elétrico. Também é usado como laxante e antiácido.

Sulfato de magnésio

É usado industrialmente para fazer cimento e fertilizantes, curtimento e tinturaria. Também é um dessecante. Sal de Epsom, MgSO₄7h₂Ou é usado como purgante.

- Minerais

talco

É considerado o padrão de menor dureza (1) na escala de Mohs. Atua como preenchedor na fabricação de papel e papelão, além de prevenir irritações e hidratação da pele. É usado na fabricação de materiais resistentes ao calor e como base de muitos pós usados em cosméticos.

Crisotila ou amianto

Tem sido utilizado como isolante térmico e na construção civil para a fabricação de tetos. Atualmente, não é usado por causa de suas fibras de câncer de pulmão.

Referências

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