镁

一种金属元素

镁

镁（英文：Magnesium），元素符号Mg，[0]一种银白色光泽的、有延展性的金属元素。[3]镁元素位于元素周期表的第12位，第三周期ⅡA族，电子排布为[Ne]3s2，[2]符号为Mg，原子量24.305 g/mol，熔点为650 ℃，沸点为1090 ℃，[2]有同位素24Mg、25Mg、26Mg等；[2]镁无磁性，有良好的热消散性，[5]镁是地球上第四常见的元素，也是地球上储存量最为丰富的轻金属元素之一。它在地壳中丰度达2%，居元素含量第8位。镁可从卤水中提取，属可再生资源。[6]镁具有很高的化学活泼性，在潮湿大气、海水、无机酸及其盐类、有机酸等介质中容易腐蚀，但在干燥的大气、碳酸盐、铬酸盐、氢氧化钠溶液、苯、汽油及不含水和酸的润滑油中很稳定。[5]

镁（英文：Magnesium），元素符号Mg，[1]一种银白色光泽的、有延展性的金属元素。[4]镁元素位于元素周期表的第12位，第三周期ⅡA族，电子排布为[Ne]3s2，[3]符号为Mg，原子量24.305 g/mol，熔点为650 ℃，沸点为1090 ℃，[3]有同位素24Mg、25Mg、26Mg等；[3]镁无磁性，有良好的热消散性，[6]镁是地球上第四常见的元素，也是地球上储存量最为丰富的轻金属元素之一。它在地壳中丰度达2%，居元素含量第8位。镁可从卤水中提取，属可再生资源。[7]

镁具有很高的化学活泼性，在潮湿大气、海水、无机酸及其盐类、有机酸等介质中容易腐蚀，但在干燥的大气、碳酸盐、铬酸盐、氢氧化钠溶液、苯、汽油及不含水和酸的润滑油中很稳定。[6]

镁占人体总重量的0.5%，是生命体中重要的功能元素，也是保证骨骼和牙齿健康所必需的成分；镁还是人体第二丰富的细胞阳离子，参与人体内多种化学反应过程，如与ATP，DNA和RNA等多磷酸进行反应。在植物体中，镁是叶绿素的核心元素，参与光合作用为地球上的生命体提供氧气和能量，维持生态平衡。[7]

相关历史

1774年金属镁首次被人类发现，并以希腊古城Magnesia命名。[8]

1755年，约瑟夫·布莱克（Joseph Black）在爱丁堡确认镁是一种元素，并辨别出了石灰中的苦土（氧化镁，MgO）。[9]

1808年，戴维（H.Davy）在英国首次通过电解汞和氧化镁的混合物，制取镁汞齐，得到了金属镁。1828年，布赛（A.Bussy）在法国用钾还原熔融的氯化镁制得纯镁。1833年，法拉第（M.Faraday）在英国电解熔融氯化镁制得纯镁。[10]1886年，德国首先采用电解法开始镁的工业生产。[5]

第二次世界大战期间，意大利发明了在真空高温炉内用硅铁还原白云石来生产镁的工艺。加拿大皮金博士（Pidgeon）发明了在外热式真空蒸馏罐内用硅铁还原白云石制镁的新工艺。第二次世界大战后，1947年法国着手研究了连续生产的硅热法炼镁工艺，1969年建成年产4500 吨镁的半连续硅热法镁厂。[8]

20世纪50年代以前，镁的发展依附于军事工业，60年代以后，镁在民用和空间技术的应用得到发展。近10年来，镁在交通、电子及通信等领域得到广泛应用，世界镁的消费量在迅速增长。[8]

物理性质

镁的晶体结构
镁的晶体结构

纯镁呈银白色，在室温下为稳定的固态，有着近乎完美的密排六方结构（hep)。[11]标准大气压下，熔点为650 °C，沸点为1090 °C；[3]随压力的增加，镁的熔点逐渐升高。镁的密度小，为1.74 g/cm3；[3]蒸气压215.95 Pa（627℃），1037.1 Pa（727℃）；热导率1.57 W/(cm·K)；电阻率4.47×10-6 π·cm。[11]

金属镁的主要物理性质见下表：

物理性质物理参数物理性质物理参数
摩尔体积13.99 cm3/mol[11]升华热147.0（650 ℃）kJ/mol[11]
密度1.74 g/cm3[3]比热容1023 Jkg-1K−1[3]
原子半径1.73 Å[3]电阻率4.47×10-6 π·cm[11]
共价半径1.40 Å[3]导热率1.57 W/(cm·K)[11]
熔点650 °C[3]标准电位-2.38 V[11]
沸点1090 °C[3]电化当量0.453 g/(A·h)[11]
25 ℃时的熵shāng32.66±0.08 J/(mol·K)[11]电离能7.65 eV、15.34 eV[11]

同位素

Mg在自然界中存在3种稳定同位素，分别为24Mg、25Mg和26Mg，其中26Mg和24Mg之间具有较大的质量差(8.33％)，在各类地质过程中显示出不同程度的分馏，使之成为研究不同地质演化过程的有力指标和良好示踪剂。[12]

2018年8月5日，S·萨卡尔等人发明了磁性镁同位素25Mg2+在制造用于治疗缺氧的药物中的应用。提供具有低毒性和良好效率以在需要时以组织选择性方式治疗缺氧的药物。[13]2012年10月，逯lù海等人将镁同位素分析技术应用于葡萄酒辨别，分析了不同地域的40种葡萄酒中镁同位素的组成。证明了镁同位素具有区分不同产地葡萄酒的能力，且地理分辨率较高的特点。[14]

元素符号原子序数质量数中子数同位素原子质量同位素丰度（%）原子质量
Mg12241224Mg[3]23.98578.9924.305
251325Mg[3]24.98610
261426Mg[3]25.98311.01

燃烧反应

金属镁与氧有很大的亲和力，在空气中非常容易氧化。金属镁在空气中引燃的温度为480-510 ℃，燃烧时能产生眩目的白光，因此镁作为镁粉燃烧有着不少应用，[9]如作为闪光灯、烟花和海洋照明弹等。

镁燃烧
镁燃烧

2Mg + O22MgO

与水的反应

金属镁与冷水发生缓慢反应，但与热水发生剧烈的反应放出氢气。其反应为：[9]

Mg + 2H2OMg(OH)2+ H2

置换反应

镁与氟化物、氢氟酸和铬酸不反应，但极易溶解于其他有机和无机酸中，如：[9]

Mg+ 2HCIMgCl2+H2

Mg + 2HNO3Mg(NO3)2 + H2

金属镁具有一定的还原性，常用做还原剂去置换钛、锆、铪、铀yóu、铍等金属，如：[9]

2Mg + TiCl42MgCl2+ Ti

氧化还原反应

镁是碱性金属，不是两性金属，因此金属镁一般不会和碱金属的氢氧化物（如NaOH和KOH）反应。但是，在高温下，镁可以参与氧化还原反应，如与NaOH反应，产生MgO、Na和H2。[9]

2Mg+2NaOH2MgO+2Na+H2镁能与部分的氧化物发生还原反应，如：[9]Mg+COMgO+C2Mg + CO22MgO+C金属镁能直接与氮、硫和卤素等非金属单质反应生成相应的化合物，如：[9]3Mg + N2Mg3N2Mg + Cl2MgCl2

此外，镁与氢发生反应生成氢化镁MgH2，因此镁可作为储氢材料。[9]

与有机物反应

镁与有机物（包括烃、醛、醇、酚、胺、脂和大多数油类在内的有机化学药品）基本不反应，或只有轻微反应。[9]

但有机镁（organomagnesium）作为格氏试剂（Grignard reagents）在有机化学中生成新碳－碳键有着重要的作用。[15]Grignard试剂中的烃基带负电。与卤代烃中带正电的烃基不同，其极性发生反转，有极强的亲核性和碱性，性质活泼。[16]可与羰基发生亲核加成，如：

RC=O+R’MgClRR’C-OMgCl

冶金领域

金属镁可作为铝合金的添加元素。在铝合金中加入金属镁，使合金更轻，强度更大，抗腐蚀能力更好。镁粉可作为钢铁的脱硫剂，工艺简单，成本较低，生产出的低硫钢可用于汽车设备及结构体中。用镁脱硫不仅改善了钢的可铸性、延展性、焊接性和冲击韧性，而且降低了结构件的质量。[17]

镁既可作为生产稀有金属Ti、Zr、Hf等的还原剂，也可作为生产铍、硼的还原剂。在铜基和镍niè基合金的生产过程中，被用作脱氧剂，还用作镍基合金、镍-铜合金、镍-铜-锌合金的合金化元素。在球墨铸铁中起着球化作用，使铸件强度、延展性更高。另外，镁被加入锌的压铸合金中，可以提高其强度和改善尺寸稳定性。[17]

化学工业

在化学工业领域，镁被大量使用在生产复杂和特种有机物及金属有机物的工艺中。如被用于生产镁的烷基（或烃基）(alkyls）和芳基（aryls）金属化合物、在润滑油中用作中和剂、用于氩气和氢气的净化、在真空管道制造中用作吸气剂（getter)。用于生产硼、锂、钙的氢化物，锅炉用水的脱氧脱氯剂等。[17]

电化学

在电化学方面的应用包括阴极保护、制造电池和光刻等。镁牺性阳极用于延长各种金属装置的寿命，包括家用和工业用热水器（槽）、各种地下构建物，如土壤里的石油管道、地下电缆、管线、井体、储槽和塔基等；以及海水冷凝器、轮船船体、压载箱和海洋环境中使用的钢桩。[17]

烟火领域

镁在早期用来制作烟火，含铝量超过30%的镁铝合金粉末燃烧时会产生耀眼的白光，该白光比自然光更适合于摄影，从而被用作摄影闪光灯，镁粉还广泛用于焰火、礼花、军用信号弹、照明弹、燃烧弹等方面。[17]

医药领域

在医药领域，镁的化合物硫酸镁可解除支气管平滑肌痉挛。补充镁剂可预防强心苷gān类药物中毒，增加对强心苷类的耐受性，且可扩张冠状动脉，降低外周阻力，减轻心脏负荷，改善肺炎所致的心脏缺血。[18]

生理作用

镁离子是体内细胞代谢中酶的激活剂（如ATP代谢酶等），对中枢神经系统、神经肌肉和心肌均起抑制作用，[19]因此是所有已知生命体的重要元素。参与体内蛋白质、脂肪、糖类、核酸以及氧化磷酸化的代谢，也是DNA相酶系中的辅助因子和细胞内的调解者。[19]

对植物

镁是叶绿素分子的中心，是其中唯一的矿物元素。镁与ATP螯áo合，在ATP和酶分子之间形成一个桥梁，可影响ATP能量的变化。镁对于光合磷酸化反应和氧化磷酸化反应都是必需的。缺镁时，叶绿素形成受到抑制，叶缘和叶尖先褪绿，继而向薄壁细胞组织蔓延，进而导致绿色植物黄白化。[20]故镁在植物合成叶绿素中起到重要的作用。

对人体

镁是酶的活动所需要的一种重要的催化剂，在能量代谢过程中起着重要的作用。可消除心理紧张，抑制精神亢奋，帮助提高睡眠质量；镁与钙一起，可作为镇静剂使用。镁能降低血压，维持正常的心肌收缩，对心肌梗死、脑中风等病有一定的预防作用。还可防止钙沉淀在组织和血管壁中，避免结石的形成。镁与钙、钾结合后，可调节凝血机制，帮助人体制造和利用胰岛素。镁还具有扩张气管的作用，可帮助治疗哮喘和支气管炎。[21]

毒性

镁的推荐膳食摄入量范围：从婴儿的30毫克，到31至50岁男性的420毫克。大多数成年人每天可以耐受350毫克镁而不会产生不良反应。[22]

镁是人体细胞内第二重要的阳离子，是很多酶的辅因子，与肌肉收缩、神经传导等有重要关系。当血浆镁浓度超过2 mmol/L时，就可出现皮肤潮红、口渴、血压下降、倦怠乏力、腱反射消失、呼吸抑制、心律失常、甚至心脏骤停、昏迷、体温不升等现象。[23]

制备方式

镁蕴藏量丰富，是仅次于铝、铁、钙，居第四位的金属元素。据美国地质调查局（USGS）统计，2015年全世界的菱镁矿储量（Reserves，以Mg含量计算）约为24.58亿吨。[24]其制备方式主要有电解法炼镁和还原法炼镁。

皮江法炼镁

皮江法生产金属镁是以煅烧白云石为原料、硅铁为还原剂、萤石为催化剂，进行计量配料。粉磨后压制成球，称为球团。将球团装入还原罐中，加热到1200 ℃，内部抽真空至13.3 Pa或更高，则产生镁蒸气。镁蒸气在还原罐前端的冷凝器中形成结晶镁，亦称粗镁。再经熔剂精炼，产出商品镁锭，即精镁。[25]

主要化学过程有两步：[26]

第一步，白云石煅烧。在此过程中发生的化学反应为：

MgCO3·CaCO3MgO·CaO（煅白）+2CO2

第二步，还原反应。在此过程中发生的化学反应为：

2MgO·CaO+Si（Fe）2Mg+2CaO·SiO2

电解法炼镁

电解法的反应原理是通过电解熔融制造纯净的无水的氯化镁，并进一步使氯化镁分解为镁和氯气。根据原料不同以及原理处理方式的不同，电解法分为：道乌法、氧化镁氯化法、光卤石法以及AMC法。[27]

道乌法

用海水以及石灰乳做原料。提取出Mg(OH)2，然后利用Mg(OH)2和盐酸反应，进一步制成氯化镁溶液，之后进一步提纯和浓缩氯化镁溶液，制成[MgCl2·（1-2)H2O]，并以其为电解的原料，电解制成金属镁，其电解反应温度需要750 ℃左右。[27]主要反应式为：

提取Mg(OH)2：Ca(OH)2 + MgCl2 + 2H2O → Mg(OH)2↓ + CaCl2

制备氯化镁溶液：Mg(OH)2 + 2HCl → MgCl2 + 2H2O

电解制备金属镁：[MgCl2·（1-2)H2O] Mg + H2 + Cl2

氧化镁氯化法

用天然菱镁矿做原材料，在高温下，一般要求在700-800 ℃之间的高温环境下煅烧，提制活性好的轻烧氯化镁，这样的制作方法，要求80%的氯化镁粒子规格小于0.144 mm，在此基础上，和碳素混合，制成团状，团状氯化镁在竖式电炉中进一步氯化，得到无水氯化镁，然后将无水氯化镁放入电解槽，电解制成金属镁。[27]其制作反应方程为：

煅烧天然菱镁矿： MgCO3 MgO + CO2↑

轻烧氯化镁的制备： MgO + 2HCl → MgCl2 + H2O

混合碳素和制成团状： MgCl2 + C → MgCl2·xC + (1-x)C

团状氯化镁的进一步氯化： MgCl2·xC + Cl2 → MgCl2 + xC + (1-x)CO

无水氯化镁的制备： MgCl2 + H2 → Mg + 2HCl

金属镁的电解制备： MgCl2 → Mg + Cl2

光卤石法

将光卤石（MgCl2·KCl·6H2O)脱水，然后电解制造金属镁。[27]发生的反应式如下：

光卤石的脱水： MgCl2·KCl·6H2O → MgCl2·KCl + 6H2O

金属镁的电解制备： MgCl2·KCl → Mg + KCl + Cl2

AMC法

AMC法是由AMC公司发明的电解氯化镁方法，有效地解决了氯化镁脱水过程中必要的水解反应。在氯化镁的脱水过程中加入气态氨，完成在乙二胺一乙烯溶液中的脱水反应。接着在干燥炉内加热MgCl2·6NH3，加热温度在550 ℃左右。最后通过电解，将无水氯化镁转化为金属镁。[27]其反应方程式如下：

氯化镁脱水反应： MgCl2 + 6NH3 → MgCl2·6NH3

干燥炉中的加热： MgCl2·6NH3 MgCl2 + 6NH3↑

电解制备金属镁： MgCl2 → Mg + Cl2

镁的资源

镁是自然界中分布最广的元素之一，约占地壳质量的2.35%，居第8位，按金属结构材料划分，排在第3位。[28]世界上镁盐资源极其丰富，按液体矿分有海水、地下卤水、盐湖卤水；按固体矿分有菱镁矿、白云石矿、蛇纹石矿、滑石、水镁石及少量其他沉积矿等。镁的化学活性很高，在自然界中只能以化合物形式存在，[28]如氧化镁（MgO）、硫酸镁（MgSO4）、氯化镁（MgCl2）、碳酸镁（MgCO3）等。

在盐湖资源中，液体矿产资源具有十分重要的地位，世界上已大规模开发的盐湖几乎全是利用其卤水，盐湖固体矿的开发则很少。因为卤水(包括海水和盐湖卤水）是一种再生资源，而菱镁矿、白云石矿是不可再生资源。在海水中的镁含量约为0.13%。也就是说，每立方米海水中约含有1.3 kg镁，因而海水为人们提供了取之不尽的镁资源。[28]

镁的分布

据美国地质调查局（USGS）统计，2015年全世界的镁资源主要分布在中国、俄罗斯和朝鲜等国家和地区。[29]

中国的镁资源主要分布在辽宁、山东、山西等省。白云石矿丰富，主要分布在山西、宁夏、河南、吉林、青海、贵州等省、自治区；其中，四大盐湖区镁盐矿产资源分布较广。[29]

GHS 分类

图标
图意易燃物
GHS 危害声明H228（54.42%）： 易燃固体
H250 （45.3%）：暴露在空气中会自燃
H251 （19.74%）： 自热;可能着火
H252（21.76%）：大量自热;可能会着火
H260（45.58%）：与水接触释放出可自燃的易燃气体
H261（54.31%）：与水接触释放易燃气体

参考资料[22]

消防相关

金属镁、金属铝都属于比较活泼的金属物质，很容易被氧化剂氧化，即易与氧化剂发生氧化还原反应。在镁铝合金的生产、加工、储存、运输过程中，镁铝混合粉不管是处于粉尘云状态（分散悬浮在空气或者其他气体中的粉尘称为粉尘云），只要遇到的热源具有足够高的温度，镁铝混合粉吸收能量值较大，就有可能被引燃,进一步可能诱发粉尘性爆炸。粉尘发生爆炸的必要条件之一是有效点火源，镁铝粉生产场所正确的选择防火防爆装置，能有效地避免粉尘着火。[30]

健康相关

镁可引起严重的皮肤灼伤，镁烟雾可引起金属烟雾热；血清镁的正常范围为1.7-2.4 mg/dL。毒血症的治疗水平为5-7.4 mg/dL镇静，低血压发生在超过8-12 mg/dL的水平。心律失常和肌肉麻痹伴呼吸停止的水平超过12 mg/dL。服用含镁抗酸剂或宣泄剂的肾功能不全患者有风险。[22]

急救措施

眼睛：用水冲洗以去除灰尘；[22]

皮肤：金属镁或镁盐嵌入皮肤破损部位，可在局部麻醉下切开，除去镁块或镁尘及坏死组织，并予敷包。[31]

口服过量镁盐后，可催吐、洗胃，并大量饮水。[31]如有铸造热发生，可用物理方法及药物方法降温。[31]

法规限制

2020年3月3日，中华人民共和国工业和信息化部为进一步加快镁产业转型升级，促进镁行业技术进步，提升资源综合利用率和节能环保水平，推动镁行业高质量发展，根据国家有关法律法规和产业政策，制定了《镁行业规范条件》。[32]

2020年11月30日，《工贸企业粉尘防爆安全规定》审议通过，2021年9月1日起施行。其中第十五条规定：铝镁等金属粉尘湿式除尘系统应当安装与打磨抛光设备联锁的液位、流速监测报警装置，并保持作业场所和除尘器本体良好通风，防止氢气积聚，及时规范清理沉淀的粉尘泥浆。[33]

2022年05月17日，国家铁路局公安部公布《铁路旅客禁止、限制携带和托运物品目录》，指出镁铝粉属于遇湿易燃物品，禁止携带。[34]

参考资料 34

  1. 参考 1
  2. 镁 基本解释 — 汉典
  3. 镁 — 英国皇家化学学会
  4. 术语在线—权威的术语知识服务平台 — termonline
  5. 参考 5
  6. 参考 6
  7. 杨东旭:我为镁代言 — 中国化学会
  8. 参考 8
  9. 参考 9
  10. 参考 10
  11. 参考 11
  12. https://d.wanfangdata.com.cn/Periodical/ChhQZXJpb2RpY2FsQ0hJTmV3MjAyMzA4MDYSDWR4cXkyMDIzMDMwMjgaCDZycmpmdGo2
  13. https://d.wanfangdata.com.cn/Patent/ChJQYXRlbnROZXdTMjAyMzA4MDcSEENOMjAwODEwMDk4ODM4LjMaCGd2dnc2dHFh
  14. https://d.wanfangdata.com.cn/Periodical/ChhQZXJpb2RpY2FsQ0hJTmV3MjAyMzA4MDYSDWZ4aHgyMDEyMTAwMTEaCGhyc3V1bGZy
  15. 参考 15
  16. 参考 16
  17. 参考 17
  18. 参考 18
  19. 参考 19
  20. 参考 20
  21. 参考 21
  22. Magnesium | Mg | CID 5462224 - PubChem — PubChem
  23. 参考 23
  24. 参考 24
  25. 皮江法炼镁 — 中国镁业网
  26. 参考 26
  27. 参考 27
  28. 参考 28
  29. 参考 29
  30. https://d.wanfangdata.com.cn/Periodical/ChhQZXJpb2RpY2FsQ0hJTmV3MjAyMzA4MDYSD2d4ZHh4YjIwMTcwNTA0MhoIb3h2aHNhc3Y%3D
  31. 参考 31
  32. 镁行业规范条件 — 工业和信息化部
  33. 中华人民共和国应急管理部令(第6号)工贸企业粉尘防爆安全规定 — 中华人民共和国应急管理部
  34. 国家铁路局 公安部关于公布《铁路旅客禁止、限制携带和托运物品目录》的公告 — 中国政府网
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