Molare masse magnesium

Magnesium ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Mg (Alchemie: ⚩^[14]) und der Ordnungszahl 12. Im Periodensystem der Elemente steht es in der zweiten Hauptgruppe bzw. der 2. IUPAC-Gruppe und gehört damit zu den Erdalkalimetallen.

Magnesium ist eines der zehn häufigsten Elemente der Erdkruste. Es kommt in zahlreichen Mineralen, im Meerwasser, sowie im Blattgrün der Pflanzen vor.

Geschichte

Die Herkunft der Elementbezeichnung wird in der Literatur unterschiedlich dargestellt:

Allerdings scheinen alle angegebenen Herleitungen etymologisch wiederum von den Magnet bzw. deren eponymen HerosMagnes herzustammen.

Magnesiumverbindungen waren gut 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 erkannt er in seinem Werk De humore acido a cibis orto et Magnesia alba den Unterschied zwischenraum Kalk (Calciumcarbonat) und Magnesia alba (Magnesiumcarbonat), die an dieser Zeit oft verwechselt wurden. Er fasste Magnesia alba als Carbonat eines neuen Elements auf. Darum wird Black oft als Entdecker des Magnesiums bezeichnet, 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 stiftete Michael Faraday als erster Magnesium durch die Elektrolyse von geschmolzenem Magnesiumchlorid her. Basierend auf diesen Probieren arbeitete der deutsche Chemiker Robert Wilhelm Bunsen in den 1840er und 1850er Jahren an Verfahren zur Herstellung von Magnesium durch Elektrolyse von Salzschmelzen mittels Hilfe des von ihm entwickelten Bunsenelements. 1852 fortgeschrittene 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 von Henri Etienne Sainte-Claire Deville und Henri Caron.^[15] Beim sogenannten Deville-Caron-Prozess wird einer 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. Aufgrund von Fabrikationsschwierigkeiten blieben diese frühen Unternehmungen allerdings unwirtschaftlich.

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:

Im Leitungswasser gelöst, ist Magnesium zusammen mit Calcium für die Wasserhärte verantwortlich. Im Meerwasser ist Magnesium mit einer Massenkonzentration von ungefähr 1,3 kg/m³ enthalten, was einer Stoffmengenkonzentration von 0,054 mol/L entsprechend. Damit ist Magnesium nach Natrium das zweithäufigste metallisch Element im Meerwasser. Das macht eine ökonomische Gewinn von Magnesium aus Meerwasser möglich.^[16]

Gewinnung und Darstellung

Die Gewinn von metallischem Magnesium erfolgt vorwiegend über zwei Wege:

^[18]

88 % der weltweiten Magnesiumproduktion finden in China statt, dort wurden 2020 ca. 886.000 t Magnesiummetall produziert. Danach folgen mit jeweils nur wenigen Prozent Marktanteil Sowjetunion, 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 weg 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 weg 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 der Produktion von 1 kg Magnesium durch den Pidgeon-Prozess entstehen Treibhausgase mit einem CO₂-Äquivalent von etwa 31 kg (zum Vergleich: Für 1 kg Stahl entstehen zwischenraum 0,5 und 2 kg CO₂-Äquivalente).^[18]

Obwohl Magnesium in mehr als 60 Mineralien enthalten ist, sind nur Dolomit, Magnesit, Brucit, Carnallit, Talk und Olivin von kommerzieller Bedeutung.

Das Mg²⁺-Kation ist das im Meerwasser am zweithäufigsten vorkommende Kation, was Meerwasser und Meersalz zu attraktiven kommerziellen Quellen für Magnesium macht. Um es an extrahieren, wird Calciumhydroxid zu Meerwasser gegeben, um einen Niederschlag aus Magnesiumhydroxid zu bilden.

Magnesiumhydroxid (Brucit) ist wasserunlöslich und kann abfiltriert und mit Salzsäure an konzentriertemMagnesiumchlorid umgesetzt werden.

Aus dem Magnesiumchlorid kann anschließend durch die oben genannte Schmelzflusselektrolyse metallisches Magnesium gewonnen werden.

Eigenschaften

Das feste, silbrig glänzende Leichtmetall Magnesium ist gut ein Drittel leichter als Aluminium. Reinmagnesium hat eine geringe Festigkeit und Härte. Sein E-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 Atmosphäre mit einer grellweißen Flamme zu Magnesiumoxid MgO und wenig Magnesiumnitrid Mg₃N₂. Beide Reaktionen verlaufen stark exotherm. Die Reaktionswärme der Oxidbildung beträgt −592,8 kJ·mol⁻¹, das der Nitridbildung −462,8 kJ·mol⁻¹.^[22]

Frisch hergestelltes Magnesiumpulver kann selbst 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 wie Kohlenstoffmonoxid, Stickoxid und Schwefeldioxid verbrannt Magnesium.

Mit Wasser reagiert Magnesium unter Bildung von Wasserstoff:

Reaktion von Magnesium mit Wasser

Dabei bildet selbst ein schwer löslicher Überzug aus Magnesiumhydroxid, der das Reaktion weitgehend zum Erliegen bringt (Passivierung). Schon schwache Säuren, wie beispielsweise Ammoniumsalze, genügen um die Hydroxidschicht zu lösen, da sie die Hydroxidionen zu Wasser umsetzen und sich lösliche Salze bilden. Ohne Passivierung verläuft die exotherme Reaktion heftig; je feiner die Magnesiumstaub, desto heftiger. Mit Luft bildet der freigesetzte Wasserstoff leicht ein explosionsfähiges Gemisch (Knallgas).

Magnesium reagierend mit Kohlenstoffdioxid exotherm unter Bildung von Magnesiumoxid und Kohlenstoff:^[23]

Reaktion von Magnesium mit Kohlenstoffdioxid

Daher löscht Kohlendioxid Magnesiumbrände nicht, sondern befeuert sie.

Gegen Fluorwasserstoffsäure und Grundlagen ist es im Gegensatz zum Aluminium relativ beständig. Grund dafür ist die geringe Löslichkeit des als Überzug gebildeten Magnesiumfluorids (MgF₂), die eine weitere Erziehung von Mg(OH)₃⁻-Ionen verhindern.

Kristallstruktur

Die Kristallstruktur von Magnesium entsprechend einer hexagonal dichtesten Kugelpackung. Diese Kristallstruktur hat im Vergleich zur kubisch flächenzentrierten Struktur, die z. B. Aluminium besitzt, oder zur kubisch raumzentrierten Struktur, wie sie bei Eisen auftritt, die geringste Anzahl von Gleitebenen, auf denen Atome verschoben werden können.^[24] Weg diesem Grund ist Magnesium vergleichsweise weniger duktil und bei Raumtemperatur kaum plastisch verformbar. Umformprozesse wie z. B. das Walzen müssen deshalb bei erhöhter Wärme durchgeführt werden.

Isotope

Es sind insgesamt 21 Isotope zwischenraum ¹⁹Mg und ⁴⁰Mg des Magnesiums bekannt. Von diesen sind drei, die Isotope ²⁴Mg, ²⁵Mg und ²⁶Mg stabil und kommen in der Natur vor. Das Isotop mit dem größeren Anteil an der natürlichen Isotopenzusammensetzung ist ²⁴Mg mit 78,99 %, ²⁵Mg hat einen Anteil von 10,0 % und ²⁶Mg von 11,01 %. Das langlebigsten instabilen Isotope sind ²⁸Mg, das mit einer Halbwertszeit von 20,915 Stunden unter Betazerfall in ²⁸Al übertritt und ²⁷Mg, das mit einer Halbwertszeit von 9,435 Minuten ebenfalls unter Betazerfall zu ²⁷Al zerfällt. Alle anderen Isotope haben nur kurze Halbwertszeiten von Sekunden oder Millisekunden.^[25]

Verwendung von metallischem Magnesium

Magnesiumpulver und ‑draht wird in Brandsätzen, ‑bomben und Leuchtmunition, früher auch als Blitzlichtpulver verwendet. Häufig dienen Magnesiumstäbe als Opferanoden, die Bestandteile aus edleren Metallen vor Korrosion schützen.

In die Metallurgie findet Magnesium vielseitige Verwendung,

Magnesium ist Basis einer Gruppe genormter Leichtlegierungen für den Bau von Luft- und Kraftfahrzeugen (deren Schmelzen benötigen eine Abdeckschicht aus geschmolzenem Magnesiumchlorid zum Schutz vor Luftzutritt und Oxidation, s. Schmelzebehandlung), siehe auch Elektron (Werkstoff).

Eine weitere Anwendung sind Fackeln, die unter Wasser brennen.

In der organischen Chemie wird es zur Herstellung von Grignard-Verbindungen genutzt.

Weil sich Magnesium sehr einfach entzündet, wird es auch als Feuerzeug verwendet, das auch unter widrigen Umständen funktioniert. Die als Fire Starter Kits vertriebenen Magnesiumblöcke werden mit einem Zündstein geliefert, dessen Abrieb sich an der Luft spontan entzündet. Die Prozedur ähnelt der seit der Steinzeit üblichen Methode, ein Feuer mit Feuerstein und Zunder 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 an entzünden.

Magnesiumlegierungen

Einteilung und Bezeichnung der Legierungen

Für Magnesiumlegierungen werden weltweit die US-amerikanischen Bezeichnungen entsprechend der ASTM-Norm B275 verwendet. Hierbei werden die Hauptlegierungselemente mit Abkürzungen gemäß nachfolgender Tabelle benannt, gefolgt von den gerundeten Festgehalten in Masseprozent^[26]. Null bedeutet einen Gehalt unter 1 %. AZ91 steht beispielsweise für eine Magnesiumlegierung mit 9 % Aluminium und 1 % Zink. Neben den Bezeichnungen entsprechend ASTM-Norm gibt es noch eine weitere Nomenklatur, bei der die chemische Zusammensetzung benannt wird mit „Mg“ an erster Stelle und anschließend den Legierungselementen mittels ihren Prozentsätzen, also für die o. g. Mischung MgAl9Zn1. Was die Legierungselemente im Hinblick auf das Werkstoffeigenschaften bewirken, ist der Tabelle ebenfalls zu entnehmen.

Die Knetlegierungen sind bisher vergleichsweise von gering Bedeutung, da sie bei Raumtemperatur nicht umformbar sind. Sie müssen bei Temperaturen oberhalb von rund 250 °C durch Strangpressen, Walzen oder Schmieden verarbeitet werden, wobei ein hoher technischer Aufwand entsteht.

Bei den Gusslegierungen 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 des VW 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 Merkmale 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 an Aluminiumleichtbau mit einer Dichte um 2,75 g/cm³ deutlich. Zusätzlich kommt, dass der Schmelzbereich zwischen 430 und 630 °C, also energiesparend niedriger liegt, und dass sich das Schmelze auch bei komplizierten Bauteilgeometrien leicht vergießen erlaubt. Die geringere Dichte machte Magnesium schon früh für mobile Anwendungen interessant. Die mechanischen Kennwerte für Zugfestigkeit, Elastizitätsmodul, Bruchdehnung und Härte liegen jedoch niedriger als bei Aluminiumlegierungen.

Die erste Großanwendung fand schon vor dem Ersten Weltkrieg beim Bau des Gerüstes für die starren Zeppelinluftschiffe 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 das mit ihnen möglichen Gewichtseinsparungen erlaubten energieeffizientere Flüge wie auch höhere Zuladung. All dies führte zu einem raschen Ausbau der Magnesiumerzeugung in Deutschland (Elektron weg der Chemischen Fabrik Griesheim) und nach 1940 auch in den USA. „Elektron“ wurde unmittelbar nach Produktionsanlauf zum markenrechtlich geschützten Namen für die ersten Magnesiumlegierungen.

Andere Verwendungsmöglichkeiten für Magnesiumguss boten sich im Zuge der technischen Entwicklung an, teils kriegsbedingt, teils konstrukt 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.

Das Getriebegehäuse und der Motorblock des VW Käfers wurde in Millionenauflage aus einer Mg-Al-Si-Legierung gegossen. Heute werden Magnesiumlegierungen nicht allein unter dem Gesichtspunkt Gewichtsersparnis verwendet, sondern siehe zeichnen sich zudem durch hohe Dämpfung aus. Das 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 das Hybridverfahren/Hybridguss angewendet, erstmals in der Großserie im Alfa Romeo 156, später auch bei BMW (siehe hierzu auch BMW N52).

Im Druckgießverfahren (siehe auch unter Formguss) lassen sich zahlreich, auch großflächige, dünnwandige Bauteile endabmessungsnah und ohne kostenintensive Nachbearbeitung herstellen, so z. B. Felgen, Profile, Gehäuse, Tore, 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 von Magnesium-Lithium-Legierungen, d. h. noch leichteren Legierungen aus Magnesium mittels Zusatz von Lithium. 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 resorbierbares Implantatmaterial (z. B. als Stent) für den menschlichen Körper. Das Korrosionsverhalten ist bei einer Verwendung als zeitlich begrenzt einzusetzendes Implantatmaterial ein entscheidend Vorteil, da es sich nach einer bestimmten Zeit gefahrlos auflösen würde. Damit entfielen Risiken und Kosten einer Operation zur Implantatentnahme. Die Korrosionsrate sowie alle Legierungselemente müssen dabei biologisch verträglich sein. Etablierte Legierungsbestandteile sind Calcium und Zink^[29], Seltene Erden und Silberfarben werden jedoch auch untersucht.^[30]

Physiologie

Magnesium gehört zu den essentiellen Stoffen und ist daher für alle Organismen unverzichtbar. Im Blattgrün der Pflanzen, dem Chlorophyll, ist Magnesium zu etwa 2 % enthalten. Dort bildet es das Zentralatom des Chlorophylls. Bei Magnesiummangelvergeilen Pflanzen ebenso wie auch bei Lichtmangel. Auch dem menschlichen Körper müssen Magnesium täglich in ausreichender Menge zugeführt werden, um Magnesiummangel vorzubeugen. Es wirkt im Stoffwechsel als natürlicher Calciumantagonist.

Magnesium-Homöostase beim Menschen

Magnesium ist ein Mengenelement, und der Körper eines Erwachsenen enthält etwa 25 g Magnesium (zum Vergleich: 1–1,1 kg Calcium). Der größte Anteil (60 %) ist im Knochen in Hydroxylapatit (Ca-Ionen teilweise durch Mg substituiert) sowie in Muskeln gespeichert.^[32]

Um eine Homöostase zu halten, müssen täglich 400 mg Magnesium aufgenommen werden, von denen 120 mg im Dünndarm aufgenommen, aber dort auch 20 mg sezerniert werden, so dass die Netto-Aufnahme täglich bei 100 mg liegt.

Täglich werden in den Nieren 2,4 g Magnesium filtriert, aber 2,3 g wieder aufgenommen, so dass täglich 100 mg über den Urin ausgeschieden werden.

Der normale Serumspiegel beträgt 0,5–1,2 mg/dl oder 1,2–2,9 mmol/l. Im Blutplasma ist das Magnesium zu 30 % an Proteine gebunden, vor allem an freie Fettsäuren. Deswegen ist der freie Magnesiumspiegel auch bei erhöhten Fettsäurespiegeln vermindert und verminderte Magnesiumspiegel sind mit einem erhöhten Risiko Herz-Kreislauf-Erkrankung und Stoffwechselerkrankungen korreliert.

Ein erhöhter Magnesiumspiegel wird als Hypermagnesiämie bezeichnet und ist sehr selten. Dies kommt eigentlich nur bei nierenkranken Patienten vor, die mit Magnesium-retinierenden Medikamenten behandelt werde.

Magnesium ist an circa 300 Enzymreaktionen als Enzymbestandteil oder Coenzym beteiligt. Zudem beeinflussen freie Mg-Ionen das Potential an den Zellmembranen und fungieren als second messenger im Immunsystem. Sie stabilisieren das Ruhepotential von erregbarenMuskel- und Nervenzellen und der Zellen des autonomen Nervengewebe. Magnesiummangel löst Ruhelosigkeit, Nervosität, Reizbarkeit, Konzentrationsmangel, Müdigkeit, allgemeines Schwächegefühl, Kopfschmerzen, Herzrhythmusstörungen und Muskelkrämpfe aus. Es kann auch zum Herzinfarkt kommen.^[33] Im Bereich Stoffwechsel und Psyche wird vermutet, dass Magnesiummangel Depression und schizoid Psychosen verstärkt. Ein Magnesiumüberschuss im Blut kann durch exzessive Zufuhr und Nierenfunktionsstörungen auftreten und führt an Störungen im Nervensystem und Herz. Bei erhöhtem Magnesiumbedarf ermöglichen gesunde Nieren mit Hilfe von 25OH-D (Calcidiol) und Calcitriol (Vitamin D₃) die Bildung einer jährlichen Rückkopplungsschleife zur Aufrechterhaltung der Magnesium-Homöostase.

Resorption

Die Magnesiumresorption sucht zuerst im oberen Dünndarm statt, aber auch im übrigen Verdauungstrakt.^[34] Es wird über die Nieren ausgetreten 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 uber Nahrungsergänzungsmittel oder Medikamente gedeckt werden. Leichter Magnesiummangel ist durch schwere Erkrankung, Schwangerschaft oder Leistungssport möglich. Schwere Mangelzustände treten bei Nierenfunktionsstörungen, langandauerndem Durchfall, chronischen Entzündungen, schlecht eingestelltem Diabetes mellitus, Kortikoiden, bestimmten Diuretika oder Alkoholismus mit Fehlernährung auf.^[35]

Magnesiumsalze wie etwa Citrat, Gluconat, Aspartat und Aspartathydrochlorid sind in Deutschland als Medikament in Tagesdosen von 100 mg bis 400 mg zugelassen gegen Mangelzustände und neuromuskuläre Störungen, wie z. B. Muskelkrämpfe, Migräne oder Schwangerschaftskomplikationen. Nebenwirkungen sind Magen-Darm-Beschwerden und Durchfall, bei Überdosierung auch Müdigkeit und verzögerter Puls. Kontraindikationen sind Nierenfunktionsstörung sowie bestimmte Herzrhythmusstörungen.

Magnesium-Substitution

Bei oraler Aufnahme von Magnesiumpräparaten (Tabletten, Kau- oder Schmerztabletten, 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 die heute in Medikamenten gebräuchlichen Magnesiumverbindungen unerheblich, denn siehe sind sowohl pharmakologisch wie auch biologisch und klinisch äquivalent; organische Magnesiumsalze wie etwa Magnesiumaspartat oder Magnesiumcitrat 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 biochemisch Anpassungen erst nach längerer Erhöhung des Magnesiumangebots bzw. nach Einnahme über wenigstens vier Wochen.^[34]

Magnesiumsulfat („Bittersalz“) kampf früher als Abführmittel gebräuchlich und wird zur Behandlung von Herzrhythmusstörungen^[37] eingesetzt.

Die Kombination mit Taurin ergibt eine funktionelle Synergie, weshalb die Verbindung Magnesiumtaurat im Handel angeboten wird.

Magnesiumsalze finden auch in die Alternativmedizin Verwendung, wie in der sogenannten Orthomolekularen Medizin und bei den Schüßler-Salzen.

Lebensmittel

Magnesium (Mg²⁺) dient etwa 300 verschiedenen Proteinen als Cofaktor, vor allem bei ATP- und Nukleinsäure-bindenden Enzymen. Die empfohlene tägliche Versorgung 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 Synthetisierung und enzymatische Aktivierung und Deaktivierung von Vitamin D.

Magnesium kommt als Verbindung in Lebensmitteln relativ oft vor. Die Absorptionsrate aus der Nahrung variiert miteinander je nach Form und Bindung, insbesondere Phytate bremsen unbehandelt die Magnesiumaufnahme.^[39][36]

Quellen: BLS, DGE, USDA

Sicherheitshinweise

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 -pulver leichtentzündlich sind. Bedingt durch die große Oberfläche können letztere leicht mit dem Sauerstoff der Luft reagieren. Bei sehr feinem Magnesiumpulver besteht nicht nur das Gefahr der Selbstentzündung, im aufgewirbelten Zustand kann es eine explosionsfähige Mischung bilden (Staubexplosion). Diese Luft-Pulver-Gemische sind explosionsgefährlich. 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 Sicherheit gegen Zutritt von Luftsauerstoff. In der Praxis erzielt dies durch Abdeckung der Schmelze mittels magnesiumchloridreicher Mittle. Schwefelhexafluorid ist ebenfalls als Oxidationsschutz geeignet. Das früher übliche Abdecken mit elementarem Schwefel wird wegen die starken Belästigung durch entstehendes Schwefeldioxid nicht mehr ausübt.

Bei Magnesiumbränden treten Temperaturen bis zu etwa 3000 °C auf. Keinesfalls dürfen gängige Löschmittel wie Wasser, Kohlenstoffdioxid, Schaum oder Stickstoff verwendet werden, da Magnesium heftig mit diesen reagiert. Bei Zutritt von Wasser an einem Magnesiumbrand besteht die akute Gefahr einer Knallgasreaktion.

Für den Brand (Metallbrände) einer Schmelze gilt das Löschprinzip des Erstickens, also die rasche Sauerstoffverdrängung. Im einfachsten Fall durch Abdecken mit trockenem Sand, andernfalls mittels Aufbringung eines Abdecksalzes für Magnesiumschmelzen. Weiter geeignet sind Löschpulver der Brandklasse D, Magnesiumoxid-Pulver (Magnesia usta/gebrannte Magnesia), notfalls auch trockene rostfreie Graugussspäne.

Bei die Verwendung von Magnesium sind insofern alle gegebenen Sicherheitshinweise genau zu befolgen. Es darf unter keinen Umständen eine explosive Atmosphäre (Magnesiumstaub, Wasserstoff, Aerosole und Dämmere brennbarer Kühlschmierstoffe) entstehen. Auch die normalen Arbeitsschutzmaßnahmen, wie die Vermeidung von Zündquellen, müssen beachtet werden.

Nachweis

Fast alle Magnesiumnachweise werden durch andere Elemente gestört, weshalb Magnesium von anderen Ionen abgetrennt werden muss. Im Kationentrennungsgang 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 freier Flamme, kann man Magnesium als schwer lösliches Hydroxid von den Alkalimetallen abtrennen.

Magnesium kann man zum einen durch die Bildung schwerlöslicher Verbindungen nachweisen:

Versetzt man eine Magnesiumionenlösung mit Carbonat-Ionen, so fällt einer basisches Magnesiumcarbonat wechselnder Zusammensetzung aus, das sich in Säuren oder Ammoniumchlorid wieder auflöst. In Anwesenheit von Ammoniumsalzen erfolgt keine Fällung.

Gibt man zu Magnesiumionen Quecksilber(II)-oxid, so bildet sich in schwach ammoniakalischer Lösungsmittel das schwer lösliche Magnesiumhydroxid. Diese Fällungsreaktion eignet selbst 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 ammoniakartiger Lösung ebenfalls Fällungen mit Phosphat ergeben, müssen siehe vorher abgetrennt werden.

Zum anderen kann man Magnesium mittels organischer Reagenzien nachweisen:

Magnesiumionen bilden in ammoniakartiger Lösung mit Oxin einen schwer löslichen grünlich-gelben Chelatkomplex. Diese Fällung eignet sich besonders gut zur Trennung des Magnesiums von Alkali-Ionen. Allerdings bilden auch zahlreich Schwermetalle einen schwer löslichen Niederschlag und müssen zuvor abgetrennt werden.

Mit Magneson 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 alkalischer Chinalizarin-Lösung bildet Magnesium einen blauen Farblack. Der Nachweis wird von Alkali-, Erdalkali- und Aluminiumionen gestört.

In basischer Lösung entsteht aus Titangelb und Mangesiumionen ein hellroter Farblack. Cobalt-, Mangan-, Nickel- und Zinkionen stören und müssen vorher als Sulfide gefällt und mit Cyanid-Ionen maskiert werden.^[40]

Verbindungen

In Verbindungen kommt Magnesium fast ausschließlich als zweiwertiges Kation mit dem Oxidationszustand 2 vor.

Oxide und Hydroxide

Magnesiumoxid (Magnesia) bildet farblose Kristalle in die Natriumchlorid-Struktur. In der Natur kommt es als vulkanisches MineralPeriklas vor. Es sind weiße bis graue, durch Einschlüsse auch dunkelgrüne, glasglänzende reguläre Kristalle.

Magnesiapulver wird Lebensmitteln als Säureregulator oder Trennmittel zugesetzt. Aus Magnesiumoxid-Keramik werden verschiedene hitzebeständige Gegenstände für Labors und Industriezweig hergestellt.

Magnesiumhydroxid ist ein farbloses, stark basischesSalz und kommt in der Natur als Mineral Brucit vor. Es hat eine trigonaleKristallstruktur in der RaumgruppeP3m1 (Raumgruppen-Nr. 164)Vorlage:Raumgruppe/164 und wird als Speiseölzusatz (zum Abbinden von Schwefeldioxid), als Flockungsmittel für die Abwasseraufbereitung, als Flammschutzmittel in thermoplastischenKunststoffen (Polyolefinen, Polyvinylchlorid) und Elastomeren sowie als Zusatzstoff in Reinigungsmitteln verwendet. In der Medizin kommt es als Antazidum zur Neutralisierung der Magensäure und als mildes Abführmittel zum Einsatz.^[41]

Magnesiumperoxid ist eine feinpulvrige, farblose Verbindung, die eine Pyrit-Kristallstruktur in der RaumgruppePa3 (Raumgruppen-Nr. 205)Vorlage:Raumgruppe/205. Es ähnelt Calciumperoxid und setzt durch kontrollierte Reaktion mit wässrigen LösungenSauerstoff frei. Es hat verschiedene Anwendungen in der Landwirtschaft, Pharmazie und Kosmetik.^[42]

Düngemittel

Bei der Kalkung von Acker- und Grünlandflächen kommt Magnesium in Form von Magnesiumoxid oder Magnesiumcarbonat zum Einsatz, um den Magnesiumentzug des Bodens durch die Pflanzen wieder auszugleichen. Weiterhin wird der Boden-pH-Wert angehoben und die Verfügbarkeit weiterer Nährstoffe verbessert. Hierbei wird die Magnesiumverbindung meist zusammen mit Kalk als magnesium- und calciumhaltiger Mehrnährstoffdünger angewendet.^[43] Auch das natürlich als Bobierrit vorkommende Magnesiumphosphat Mg₃(PO₄)₂ (Trimagnesiumphosphat)^[44] sowie Magnesiumnitrat^[45] werden als Mehrnährstoffdünger verwendet.

Halogenide

Magnesiumchlorid ist stark hygroskopisch und kommt in die Natur im MineralBischofit (MgCl₂ · 6 H₂O), als DoppelsalzCarnallit (KMgCl₃ · 6 H₂O), im Meerwasser und in Salzseen vor. Es kristallisiert im trigonal in der RaumgruppeR3mVorlage:Raumgruppe/166 (Nr. 166). In der Lebensmitteltechnik wird es als Säureregulator, Festigungsmittel, Geschmacksverstärker, Trägerstoff oder Trennmittel eingesetzt. Magnesiumchlorid-Hexahydrat kann als thermischeBatterieWärmeenergiespeichern und wieder abgeben.^[46]

Magnesiumfluorid bildet farblose Kristalle, die tetragonal in der Rutilstruktur (Raumgruppe: P4₂/mnmVorlage:Raumgruppe/136, Nr. 136) kristallisieren. Seine optischen Merkmale machen es zusammen mit seiner chemischen Stabilität an einem wichtigen Werkstoff für optische Anwendungen.^[47] Anders als andere Halogenide des Magnesiums ist es nur äußerst schwer in Wasser löslich.

Magnesiumbromid und Magnesiumiodid sind ebenfalls hygroskopische Salze, die eine trigonale Kristallstruktur in der Raumgruppe P3m1Vorlage:Raumgruppe/164 (Nr. 164) aufweisen.^[48]

Weitere anorganische Verbindungen

Magnesiumcarbonat kommt in der Natur in großen Mengen als Magnesit (Bitterspat) vor. Es kristallisiert trigonal in die RaumgruppeR3c (Raumgruppen-Nr. 167)Vorlage:Raumgruppe/167. In der Lebensmittelindustrie wird es als Säureregulator, Trägerstoff oder Trennmittel zugesetzt. Es wird beim Klettern und Turnen eingesetzt und ist auch unter den Namen Magnesia und Chalk bekannt.^[49] Die Sportler trocknen sich dann darin vor dem Übungsbeginn das Handinnenflächen, damit ihre Haut beim Umfassen der Holme von Barren oder der Eisenstangen von Reck oder Langhantel nicht zu stark haftet. Außerdem hat es medizinische und industrielle Anwendungen.

Magnesiumnitrat ist ein farbloses, hygroskopischesSalz, das gut löslich in Wasser ist.^[50] Das Hexahydrat (Mg(NO₃)₂ · 6 H₂O) besitzt eine monoklineKristallstruktur mit der RaumgruppeP2₁/c (Raumgruppen-Nr. 14)Vorlage:Raumgruppe/14. Es wird als Düngemittel, Latentwärmespeicher (als Hexahydrat) oder in der Keramikindustrie eingesetzt.

Magnesiumsulfat-Heptahydrat (Mg(SO₄) · 7 H₂O) ist bekannt als Mineral Epsomit (Bittersalz). Es bildet farblose Kristalle, das ein rhombisch pseudotetragonales Kristallgitter ausbilden. Die Kristalle blühen oft in faserigen Aggregaten aus und bilden Stalagmiten. Es wird für Düngemittel, als Trocknungsmittel und für medizinische Anwendung verwendet.

Magnesiumphosphate (Magnesiumdihydrogenphosphat (Mg(H₂PO₄)₂), Magnesiumhydrogenphosphat (MgHPO₄) und Magnesiumphosphat (Mg₃(PO₄)₂)) werden in der Industrie als keramischerRohstoff und als Flammschutzmittel verwendet. In der Lebensmittelindustrie werden sie als Futtermittelzusatz, Abführmittel und Lebensmittelzusatz eingesetzt. Lebensmitteln werden sie als Säureregulator oder Trennmittel zugesetzt.

Spinell ist ein häufig vorkommendes Mineral aus die Mineralklasse der Oxide und Hydroxide mit der idealisierten chemischen Zusammensetzung MgAl₂O₄ und ist damit chemisch gesehen ein Magnesium-Aluminat.^[51] Es kristallisiert isotyp mit Magnetit im kubischen Kristallsystem in der RaumgruppeFd3m (Raumgruppen-Nr. 227)Vorlage:Raumgruppe/227.^[52]

Dolomit ist einer sehr häufig vorkommendes Mineral aus der Mineralklasse die Carbonate und Nitrate mit der chemischen Zusammensetzung CaMg[CO₃]₂ und ist damit chemisch gesehen ein Calcium-Magnesium-Carbonat. Es kristallisiert im trigonalen Kristallsystem in der RaumgruppeR3 (Raumgruppen-Nr. 148)Vorlage:Raumgruppe/148.^[53]

Magnesiumhydrid kann als Wasserstoff- und Energiespeicher eingesetzt werden. Durch Wasserstoff, der aus Magnesiumhydrid freigesetzt wird, kann einer Metallschaum mit interessanten Eigenschaften, der leichter als Wasser ist, erzeugt werden.

Weitere interessante kristalline Magnesiumverbindungen sind zum Beispiel Magnesiumdiborid, Magnesiumcarbid, Magnesiumnitrid, Magnesiumsulfid, Magnesiumsilicid, Magnesiumgermanid, Magnesiummetasilicat, Magnesiumtitanoxid und Magnesiumpolonid.

Magnesiumorganyle

Magnesiumorganyle sind metallorganische Verknüpfungen, in denen eine Bindung zwischen Magnesium und Kohle existiert. Unter den Magnesiumorganylen kommt Grignard-Verbindungen (R-Mg-X) das weitaus größte Bedeutung zu. Eine deutlich untergeordnete Rolle spielen binäre Magnesiumorganyle sowie Alkenylmagnesiumhalogenide.

Organylmagnesiumhalogenide

→ Hauptartikel: Grignard-Verbindungen

Organylmagnesiumhalogenide (meist Grignard-Verbindung genannt) werden im Direktverfahren durch die Reaktion von Organylhalogeniden mit Magnesiumspänen gewonnen.^[54] Grignard-Verbindungen stehen in Lösung im Schlenk-Gleichgewicht. Sie reagieren unter Halogen-Organyl-Substitution an Elementorganylen:^[55]

Allgemein:

z. B. :

oder unter Addition von Organylen mittels Mehrfachbindungssystemen:

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