Magnésio: história, estrutura, propriedades, reações, usos

O magnésio é um metal alcalino-terroso pertencente 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% dela.

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

Magnésio: história, estrutura, propriedades, reações, usos 1

Objetos do cotidiano feitos com magnésio. Fonte: Wikipedia Firetwister.

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

Sua fonte natural mais rica para sua extensão é o mar que possui uma abundância de 0,13%, embora o Grande Lago Salgado (1,1%) e o Mar Morto (3,4%) tenham uma concentração mais alta de magnésio. Existem salmouras com alto conteúdo, concentradas por evaporação.

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

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

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

Também faz parte de um complexo semelhante ao grupo heme da hemoglobina, presente na clorofila. Este é um pigmento envolvido na realização da fotossíntese.

História

Reconhecimento

Joseph Black, um químico escocês, em 1755 o reconheceu como um elemento, provando experimentalmente que ele era diferente do cálcio, um metal com o qual estava enganado.

Nesse sentido, 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 uma amálgama de magnésio e mercúrio. Ele fez isso eletrolizando seu sal sulfato de sulfato com o uso de mercúrio como cátodo. Posteriormente, evaporou o mercúrio do malagama por aquecimento, deixando o resíduo de magnésio.

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

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

Produção

Em 1886, a empresa alemã und alumínio Magnesiumfabrik Hemelingen empregue electrólise de carnalite (MgCl 2 · · KCl 6H 2 O) para produzir magnésio fundido.

A Hemelingen, associada ao 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 produção de magnésio.

Ao mesmo tempo, em Ontário (Canadá), uma técnica é criada para produzi-la com base no processo LM Pidgeon. A técnica consiste na redução térmica do óxido de magnésio com silicatos nas retortas de ignição externa.

Estrutura e configuração eletrônica de magnésio

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

Sua configuração eletrônica é [Ne] 3s 2 , com dois elétrons de valência e dez de camada interna. Por ter um elétron adicional comparado ao sódio, sua ligação metálica se torna mais forte.

Isso ocorre 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, que contrai as distâncias entre eles. Além disso, tendo dois elétrons, a banda resultante 3s está cheia e é capaz de sentir ainda mais a atração dos núcleos.

Então, os átomos de Mg acabam assentando um cristal hexagonal denso com uma forte ligação metálica. Isso explica seu ponto de fusão muito mais alto (650 ºC) do que o 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 saem enquanto outros dois chegam; assim por diante, sem poder originar cátions Mg 2+ .

Números de oxidação

O magnésio pode perder dois elétrons quando forma compostos e se parece com o cátion Mg 2+ , que é isoeletrônico para o gás nobre do 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 de sódio. Quando se supõe que um composto esteja presente, diz-se que o magnésio tem um número de oxidação +1.

Propriedades

Aparência física

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

Massa atômica

24.304 g / mol.

Ponto de fusão

650 ° C.

Ponto de ebulição

1.091 ° C.

Densidade

1,738 g / cm 3 temperatura ambiente. E 1,584 g / cm 3 e a 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 de vaporização

128 kJ / mol.

Capacidade de calorias molares

24.869 J / (mol.K).

Pressão de vapor

A 701 K: 1 Pa; isto é, sua pressão de vapor é muito baixa.

Eletronegatividade

1,31 na escala de Pauling.

Energia de ionização

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

Segundo nível de ionização: 1.450,7 kJ / mol (Mg 2+ gás e requer menos energia)

Terceiro nível de ionização: 7.732,7 kJ / mol (Mg 3+ gás, e requer muita energia).

Raio atômico

160 pm

Raio covalente

141 ± 17 pm

Volume atômico

13,97 centímetros 3 / mol.

Expansão térmica

24,8 µm / m · K a 25 ° C.

Condutividade térmica

156 W / m · K.

Resistividade elétrica

43,9 n · a 20 ° C.

Condutividade elétrica

22,4 x 10 6 S · cm 3 .

Dureza

2,5 na escala de Mohs.

Nomenclatura

O magnésio metálico não possui outros nomes atribuídos. Seus compostos, considerando que na maioria possuem um número de oxidação de +2, são mencionados usando a nomenclatura de estoque, 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 acima se torna: monóxido de magnésio e não monóxido de monomagnésio.

No lado da nomenclatura tradicional, acontece o mesmo com a nomenclatura das ações: os nomes dos compostos terminam da mesma maneira; isto é, com o sufixo -ico. Assim, MgO é óxido de magnésio, de acordo com esta nomenclatura.

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

Em relação aos compostos de organomagnésio, quase todos são reagentes de Grignard com a fórmula geral RMgX. Por exemplo, o BrMgCH 3 é brometo de metil-magnésio. Observe que a nomenclatura não parece tão complicada em um primeiro contato.

Formas

Ligas

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

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

Minerais e compostos

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

Entre os minerais de magnésio mais comuns estão:

-Dolomita, um carbonato de cálcio e magnésio, MgCO 3 · CaCO 3

-Magnesita, um carbonato de magnésio, CaCO 3

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

-carnalita, cloreto de magnésio e potássio, MgCl 2 H · · KCl 2 O.

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

-Kieserita um sulfato de magnésio, MgSO 4 ? H 2 O

-Forsterita, um silicato de magnésio, MgSiO 4

-Crisotila ou amianto, outro silicato de magnésio, Mg 3 Si 2 O 5 (OH) 4

-Talco, Mg 3 Si 14 O 110 (OH) 2 .

Isótopos

O magnésio é encontrado na natureza como uma combinação de três isótopos naturais: 24 Mg, com 79% de abundância;25 Mg, com 11% de abundância; e 26 Mg, com uma abundância de 10%. Além disso, existem 19 isótopos radioativos artificiais.

Papel biológico

Glicólise

O magnésio é um elemento essencial para todos os seres vivos. 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 nas quais a glicose é transformada em ácido pirúvico, com uma produção líquida de 2 moléculas de ATP. A piruvato-quinase, a hexoquinase e a fosfofruto-quinase são enzimas, entre outras, da glicólise que utilizam o Mg como ativador.

DNA

O DNA é formado por duas cadeias nucleotídicas que carregam grupos fosfato negativamente em sua estrutura; portanto, as cadeias de DNA sofrem repulsão eletrostática. Os íons Na + , K + e Mg 2+ neutralizam as cargas negativas, evitando a dissociação das cadeias.

ATP

A molécula de ATP possui grupos fosfato com átomos de oxigênio com carga negativa. Entre os átomos de oxigênio vizinhos, ocorre uma repulsão elétrica que pode quebrar a molécula de ATP.

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

Fotossíntese

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

A clorofila absorve a energia luminosa e a utiliza na fotossíntese para converter dióxido de carbono e água em glicose e oxigênio. Glicose e oxigênio são posteriormente utilizados 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, bloqueia o canal de cálcio. Pelo contrário, uma diminuição no cálcio causa ativação nervosa, permitindo que o cálcio entre nas células.

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

Onde está localizado e produção

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

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

Minerais de dolomita e magnesita magnésio são extraídos de suas veias usando métodos tradicionais de mineração. Enquanto isso, nas soluções de carnalita, são utilizadas soluções que permitem a superfície dos outros sais, mantendo a carnalita em segundo plano.

Salmouras contendo magnésio são concentradas em lagoas usando aquecimento solar.

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

Eletrólise

Nos processos de eletrólise, sais fundidos contendo ou cloreto de magnésio anidro, cloreto de magnésio anidro parcialmente desidratado ou mineral de carnalita anidro são usados. Em algumas circunstâncias, para evitar a contaminação da carnalita natural, a artificial é usada.

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 levemente calcinado.

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

MgCl 2 + Ca (OH) 2 → Mg (OH) 2 + CaCl 2

Os precipitados de hidróxido de magnésio são tratados com ácido clorídrico, produzindo cloreto de magnésio e água, de acordo com a reação química descrita:

Mg (OH) 2 + 2 HCl → MgCl 2 + 2 H 2 O

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

MgCl 2 → Mg + Cl 2

O cloro diatômico é gerado no ânodo e o magnésio derretido flutua na parte superior dos sais, onde é coletado.

Redução térmica

Magnésio: história, estrutura, propriedades, reações, usos 2

Cristais de magnésio depositados de seus vapores. Fonte: Warut Roonguthai [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]
No processo de Pidgeon, dolomita moída e calcinada é misturada com ferrosilício finamente moído e colocada em retortas cilíndricas de níquel-cromo-ferro. As réplicas são colocadas dentro de um forno e são em série com condensadores localizados fora do forno.

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

2 CaO + 2 MgO + Si → 2 Mg (gás) + Ca 2 SiO 4 (escória)

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

Reacções

O magnésio reage vigorosamente com ácidos, especialmente com oxácidos. Sua reação com o ácido nítrico produz nitrato de magnésio, Mg (NO 3 ) 2 . Do mesmo modo, 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 revestido com 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 a altas temperaturas.

Usos

– Magnésio Elementar

Ligas

Ligas de magnésio têm sido usadas em aviões e carros. Estes últimos têm como requisito para o controle da emissão de gases poluentes, uma redução no peso dos veículos a motor.

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

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

Metalurgia

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

O magnésio está envolvido na produção de titânio, urânio e háfnio. Ele atua como agente redutor do tetracloreto de titânio, no processo Kroll, para originar titânio.

Eletroquímica

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

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

Pirotecnia

O magnésio na forma de poeira ou tiras queima, emitindo uma luz branca muito intensa. Esta propriedade foi usada em pirotecnia militar para produzir incêndios ou iluminação por labaredas.

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

– Compostos

Carbonato de magnésio

É usado como isolante térmico para caldeiras e tubulações. Por ser higroscópico e solúvel em água, é usado para impedir que o sal comum seja compactado em saleiros e não flua adequadamente durante o tempero dos alimentos.

Hidróxido de magnésio

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

Cloreto de magnésio

É utilizado na fabricação de cimento para pisos de alta resistência, além de aditivo na fabricação de tecidos. Além disso, é usado como floculante de leite de soja para a produção de tofu.

Óxido de magnésio

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

Sulfato de magnésio

É utilizado industrialmente na fabricação de cimento e fertilizantes, curtidos e tingidos. É também um dessecante. sal de Epsom, MgSO 4 .7H 2 O, é usado como um purgante.

– Minerais

Talco em pó

Tem como padrão de menor dureza (1) na escala de Mohs. Serve como enchimento na fabricação de papel e papelão, além de prevenir a irritação e hidratação da pele. É usado na fabricação de materiais resistentes ao calor e como base de muitos pós para uso em cosméticos.

Crisotila ou amianto

Foi usado como isolante térmico e na indústria da construção para a fabricação de telhados. Atualmente, não é utilizado porque são as fibras do câncer de pulmão.

Referências

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  2. Wikipedia (2019). Magnésio Recuperado de: en.wikipedia.org
  3. Clark J. (2012). Ligação metálica Recuperado de: chemguide.co.uk
  4. Hull AW (1917). A estrutura cristalina do magnésio. Anais da Academia Nacional de Ciências dos Estados Unidos da América, 3 (7), 470-473. doi: 10.1073 / pnas.3.7.470
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