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Steckbrief: Magnesium

Informationen zum Element:

Bezeichnung

24,305

Symbol: Mg

Internationale Bezeichung (IUPAC): Magnesium

Ursprung: Die Herkunft der Elementbezeichnung wird in der Literatur unterschiedlich dargestellt:
1. von altgriech. magnes/magnesie in der Bedeutung Magnetstein,
2. von Magnesia, einem Gebiet im östlichen Griechenland,
3. von Magnesia, einer Stadt in Kleinasien auf dem Gebiet der heutigen Türkei.
Magnesiumverbindungen waren schon Jahrhunderte vor der Herstellung elementaren Magnesiums bekannt und in Gebrauch. Magnesia alba bezeichnete Magnesiumcarbonat, während Magnesia der gebräuchliche Name für Magnesiumoxid war.
Der schottische Physiker und Chemiker Joseph Black war der erste, der Magnesiumverbindungen im 18. Jahrhundert systematisch untersuchte. 1755 erkannte er in seinem Werk De humore acido a cibis orto et Magnesia alba den Unterschied zwischen Kalk (Calciumcarbonat) und Magnesia alba (Magnesiumcarbonat), die zu dieser Zeit oft verwechselt wurden. Er fasste Magnesia alba als Carbonat eines neuen Elements auf. Deswegen wird Black oft als Entdecker des Magnesiums genannt, obwohl er nie elementares Magnesium darstellte.
1808 gewann Sir Humphry Davy Magnesium durch Elektrolyse angefeuchteten Magnesiumhydroxids mit Hilfe einer Voltaschen Säule - allerdings nicht in reiner Form, sondern als Amalgam, da er mit einer Kathode aus Quecksilber arbeitete. So zeigte er, dass Magnesia das Oxid eines neuen Metalls ist, das er zunächst Magnium nannte.
1828 gelang es dem französischen Chemiker Antoine Bussy durch das Erhitzen von trockenem Magnesiumchlorid mit Kalium als Reduktionsmittel geringe Mengen von reinem Magnesium darzustellen. 1833 stellte Michael Faraday als erster Magnesium durch die Elektrolyse von geschmolzenem Magnesiumchlorid her. Basierend auf diesen Versuchen arbeitete der deutsche Chemiker Robert Wilhelm Bunsen in den 1840er und 1850er Jahren an Verfahren zur Herstellung von Magnesium durch Elektrolyse von Salzschmelzen mit Hilfe des von ihm entwickelten Bunsenelements. 1852 entwickelte er eine Elektrolysezelle zur Herstellung größerer Mengen von Magnesium aus geschmolzenem, wasserfreien Magnesiumchlorid.
Die technische Erzeugung von Magnesium begann 1857 in Frankreich nach einem Verfahren von Henri Etienne Sainte-Claire Deville und H. Caron. Beim sogenannten Deville-Caron-Prozess wird ein Gemisch aus wasserfreiem Magnesiumchlorid und Calciumfluorid mit Natrium reduziert. In England begann die Firma Johnson Matthey um 1860 mit der Magnesiumherstellung nach einem ähnlichen Verfahren. Wegen Fabrikationsschwierigkeiten blieben diese frühen Unternehmungen allerdings unwirtschaftlich.

Bedeutung: magnes/magnesie = Magnetstein; Region Magnesia; Stadt Magnesia

Daten Periodensystem

Periode: 3

Gruppe: 2 (II A)

Gruppenname: Erdalkalimetalle

Oxidationszahl: 2

Atommasse [u]: 24,305

Elektronegativität

Elektronegativität (nach Allred): 1,2

Elektronegativität (nach Pauling): 1,31

Physikalische Daten

Aggregatzustand (20°C): fest

Dichte [g/cm²]: 1,738

Radioativ: n

Schmelztemperatur [°C]: ~649,85

Siedetemperatur [°C]: ~1089,85

Kristallstruktur: hexagonal

Verwendung im Alltag

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 hat eine geringe Festigkeit und Härte. Sein E-Modul liegt bei etwa 45 GPa. 90% aller Magnesium Bauteile sind Gussteile. Die Kaltumformung ist wegen der hexagonalen Kristallstruktur extrem schwer, weswegen bei Mg die Warmumformung bevorzugt wird.
Verwendung metallischen Magnesiums: 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.
- im Kroll-Prozess zur Herstellung von Titan,
- als Reduktionsmittel zur Herstellung von Uran, Kupfer, Nickel, Chrom und Zirconium,
- als Magnesiumgranulat zur Entschwefelung von Eisen und Stahl,
- als Zuschlagstoff für Kugelgraphitguss,
- 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.
Verwendung von 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).
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 (z.B. als Stent) 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.
Physiologie: Magnesium ist als Mineralstoff für Mensch, Tier und Pflanze unentbehrlich.
Der menschliche und tierische Organismus kann Magnesium wie alle Mineralstoffe nicht selbst produzieren, d. h. es ist essentiell. Magnesium muss daher dem Körper täglich in ausreichender Menge zugeführt werden, um Magnesiummangel vorzubeugen. In allen Nahrungsmitteln und auch im Trinkwasser ist Magnesium in unterschiedlichen Mengen enthalten.
Im Blattgrün der Pflanzen, dem Chlorophyll, ist Magnesium zu etwa 2 % enthalten. Dort bildet es das Zentralatom des Chlorophylls. Pflanzen verwelken bei Magnesiummangel.
Der Körper eines Erwachsenen enthält etwa 20 g Magnesium (zum Vergleich: 1000 g Calcium). Im Blutplasma ist das Magnesium zu 40 % an Proteine gebunden; der normale Serumspiegel beträgt 0,8 ? 1,1 mmol/l. Magnesium ist an ca. 300 Enzymreaktionen als Enzymbestandteil oder Coenzym beteiligt, zudem beeinflussen freie Mg-Ionen das Potential an den Zellmembranen. Sie stabilisieren das Ruhepotential von erregbaren Muskel- und Nervenzellen und der Zellen des autonomen Nervensystems. Magnesiummangel löst beim Menschen Ruhelosigkeit, Nervosität, Reizbarkeit, Kopfschmerzen, Konzentrationsmangel, Müdigkeit, allgemeines Schwächegefühl, Herzrhythmusstörungen und Muskelkrämpfe aus. Im Bereich von Psyche und Stoffwechsel wird vermutet, dass auch Depression und schizophrene Psychosen durch einen Magnesiummangel verstärkt werden. Auch kann es durch Mangel zum Herzinfarkt kommen.
Die erforderliche Tagesdosis von ca. 300 mg wird in der Regel durch eine ausgewogene Ernährung mit Vollkornbrot, Nüssen und Gemüse (Blattspinat, Kohlrabi) erreicht. Ein erhöhter Bedarf kann über Nahrungsergänzungsmittel oder Medikamente gedeckt werden. Leichter Magnesiummangel kann während schwerer Erkrankungen, Schwangerschaft oder im Leistungssport auftreten. Schwere Mangelzustände rühren von Nierenfunktionsstörungen, langdauerndem Durchfall, chronischen Darmentzündungen, schlecht eingestelltem Diabetes mellitus, Kortikoiden und bestimmten Diuretika oder von Fehlernährung beim Alkoholismus her.
Magnesiumsalze wie Zitrate und Aspartate sind in Deutschland als Arzneimittel zugelassen, in täglichen Dosen von 100 ? 400 mg gegen Mangelzustände und neuromuskuläre Störungen wie beispielsweise Muskelkrämpfe, Migräne oder Schwangerschaftskomplikationen. Vor- oder Nachteile der einzelnen möglichen Salzverbindungen sind nicht bekannt. Magnesium wird im Darm resorbiert und über die Nieren ausgeschieden. Nebenwirkungen sind Magen-Darm-Beschwerden und Durchfall, bei Überdosierung auch Müdigkeit und Pulsverlangsamung. Kontraindikationen sind Nierenfunktionsstörung sowie bestimmte Herzrhythmusstörungen.
Magnesiumsalze finden auch in der Alternativmedizin Verwendung. Magnesiumsulfat (?Bittersalz?) war früher als Abführmittel gebräuchlich.
Bei Magnesiumpräparaten (Tabletten, Kau- oder Lutschtabletten, Granulat) ist bei oraler Aufnahme die Dosierung wichtig. Verschiedene Studien kommen zu dem Ergebnis, dass bei einer Einnahme von 120 mg ca. 35 % resorbiert werden, jedoch bei Einnahme einer kompletten Tagesdosis von 360 mg nur noch ca. 18 %. Für die Aufnahme ist auch die Form der Verbindung, in der das Magnesium vorliegt, von Bedeutung. Organische Salze wie z. B. Magnesiumaspartat oder Magnesiumcitrat werden dabei generell besser vom Körper aufgenommen als anorganische Verbindungen.
Lebensmittel: Magnesium kommt in vielen Lebensmitteln vor, insbesondere in
- Vollkornprodukten (zum Beispiel Vollkornbrot, Reis, Cornflakes, Vollkornnudeln)
- Mineralwasser, insb. Heilwasser
- Leber
- Geflügel
- Fisch
- Kürbiskerne, Sonnenblumenkerne
- Schokolade
- Cashewnüssen, Erdnüssen
- Kartoffeln
- Gemüse
- Beerenobst
- Orangen
- Bananen
- Sesam
- Milch und Milchprodukten
- Haferflocken
- Zuckerrübensirup

Vorkommen und Häufigkeit

Vorkommen: Magnesium kommt in der Natur wegen seiner Reaktionsfreudigkeit nicht in elementarer Form vor. Als Mineral tritt es überwiegend in Form von Carbonaten, Silicaten, Chloriden und Sulfaten auf. In Form von Dolomit ist ein Magnesiummineral sogar gebirgsbildend, so z. B. in den Dolomiten.
Die wichtigsten Mineralien sind Dolomit CaMg(CO₃)₂, Magnesit (Bitterspat) MgCO₃, Olivin (Mg, Fe)₂ [SiO₄], Enstatit MgSiO₃ und Kieserit MgSO₄ * H₂O.
Andere Mineralien sind:
- Serpentin Mg₃[Si₂O₅] (OH)₄
- Talk Mg₃[Si₄O₁₀] (OH)₂
- Meerschaum Mg₄[Si₆O₁₅] (OH)₂
- Kieserit MgSO₄ * H₂O
- Schönit K₂Mg(SO₄)₂ * 6 H₂O
- Carnallit KMgCl₃ * 6 H₂O
- Spinell MgAl₂O₄
In Wasser gelöst, verursacht es zusammen mit dem Calcium die Wasserhärte. Im Meerwasser ist es zu mehr als 1 kg/m³ enthalten.