鎂

鎂是元素周期表中ⅡA族的堿土金屬。元素符號Mg，相對原子質(zhì)量24.305，它是一種銀白色有延展性的金屬。相對密度為1.74g/cm3，熔點(diǎn)648.8℃，沸點(diǎn)1107℃，屬于活潑金屬。在干燥空氣中較穩(wěn)定。受熱與水作用，與大多數(shù)的非金屬，如鹵素、氮、硫等作用，溶于酸并放出氫氣。還原性較強(qiáng)。1

鎂有三個(gè)自然同位素，其質(zhì)量數(shù)分別為23.99、24.99和25.99。在自然界的混合物中鎂的同位素含量分別為78.6%、10.11%和11.2%。2

鎂主要用于制造輕質(zhì)鎂合金和球墨鑄鐵等，用以制造汽車、飛機(jī)、科學(xué)儀器、脫硫劑、脫氫劑、煙火、閃光粉、鎂鹽和格氏試劑等，也用以還原提取金屬鈹、鈦、鋯、鉿和鈾等。由電解熔融氯化鎂或光鹵石制取，也可以用硅鐵還原氧化鎂得到。3

研究簡史

1755年，英國Joseph Black首次確認(rèn)鎂是一種元素。他辨別出石灰（氧化鈣，CaO）中的苦土（氧化鎂，MgO）。4

1792年，加拿大Anton Rupprecht通過加熱苦土和木炭的混合物首次制取出不純凈的鎂金屬，1808年英國化學(xué)家Humphry Davy通過電解氧化鎂制取出純凈但非常小量的金屬鎂。1831年，法國科學(xué)家Antoine-Alexandre-BrutusBussy使用氯化鎂和鉀反應(yīng)制取出大量的金屬鎂。5

1808年，英國化學(xué)家漢弗萊·戴維（HumphryDavy）通過電解“鎂氧”（氧化鎂，MgO）和氧化汞（HgO）的混合物得到了鎂的單質(zhì)。3

1886年，德國首次將鎂應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，之后鎂及鎂合金在工業(yè)上的地位及作用不可小覷，在汽車工業(yè)、軌道交通工業(yè)、航空航天工業(yè)、船舶工業(yè)、核工業(yè)、電子工業(yè)等領(lǐng)域，鎂及鎂合金材料所占比重越來越大。6

20世紀(jì)30年代初，埃爾默·麥科勒姆（ElmerE V McCollum）等報(bào)道了動(dòng)物對鎂缺乏的反應(yīng)。 7

分布情況

鎂是地殼中分布較廣的元素之一，占地殼質(zhì)量的2.1%。在自然界中，鎂只能以化合物狀態(tài)存在。在已知的1500種礦物中，鎂化合物占200多種，即12%以上。自然界的鎂礦物及含鎂礦物很多，含MgO大于40%的就有菱鎂礦、方解石、氯鎂石、水纖菱鎂礦、氟鎂石、水菱鎂礦、硼鎂石、羥磷鎂石、鎂橄欖石、蛇紋石、粒硅鎂石，這11種礦物中的鎂含量都高，但只有菱鎂礦是主要的工業(yè)礦物，因它分布廣、易選冶。鎂橄欖石、蛇紋石和粒硅鎂石分布也廣，但冶煉加工困難。方鎂石和水鎂石若有大量聚集時(shí)也可用于提鎂。其他富鎂礦物分布很稀少，不具工業(yè)意義。還有兩種含鎂礦物雖然本身含鎂并不高，但分布廣，易加工，也是很重要的工業(yè)用鎂礦物，如白云石和光鹵石。2

此外，還有大量的鎂，主要以氯化物和碳酸鹽的形式存在于海水、鹽湖水中，地殼中鎂總量的3.7%存在于海水中。煉鎂工業(yè)上使用的原料多為菱鎂礦、白云石、光鹵石及海水、鹽湖水中MgCl2。2

根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局2015年公布的數(shù)據(jù)顯示，全球已探明的菱鎂礦資源量達(dá)120億噸，儲(chǔ)量為24億噸。蘊(yùn)藏豐富的國家包括俄羅斯（6.5億噸，占總量27%）、中國（5億噸，占總量21%）、韓國（4.5億噸）。6

|| || 全球菱鎂礦儲(chǔ)量

理化性質(zhì)

物理性質(zhì)

鎂在工程金屬中最顯著的特點(diǎn)是質(zhì)量輕。鎂的密度為1.74g/cm3，約為鋼的2/9，鈦的2/5，鋁的2/3（另外，Mg-Li合金密度小于水的密度，也是最輕的金屬材料）。熱導(dǎo)率1.57W/(cm·K)，電阻率4.47×10-6Ω·cm。Mg還具有比強(qiáng)度、比剛度高，減震性能好，抗輻射能力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，必將發(fā)展成為十分重要的金屬結(jié)構(gòu)材料和功能材料。但Mg的塑性加工困難、耐蝕性差及產(chǎn)品成本高，使其難以在工業(yè)中得到大規(guī)模的使用。8

純鎂的熔點(diǎn)為650℃，沸點(diǎn)為1090℃。純鎂在凝固過程中的液固體積收縮率為4.2%，線收縮率為1.5%。8

化學(xué)性質(zhì)

雖然鎂的電極電勢高（-2.37V），但是鎂是鈹以外堿土金屬中最穩(wěn)定的元素。它不被大氣和一些化學(xué)介質(zhì)所侵蝕，這主要是由于它能生成氧化物或氟化物等保護(hù)膜。如果經(jīng)過陽極處理，則氧化物膜的保護(hù)性能更好。不過鎂的電極電勢較高體現(xiàn)了它的強(qiáng)化學(xué)活性，它能從Zn2+離子溶液中置換出Zn，同樣也能與Fe3+、H+或Hg2+離子反應(yīng)。在中性或堿性溶液中反應(yīng)很難進(jìn)行，而在鹽酸等稀酸性溶液中，反應(yīng)能順利地進(jìn)行，因?yàn)樗嶙柚沽薓g(OH)2膜的生成。鎂可將許多元素還原為中間氧化態(tài)。將混合均勻的Mg和Fe2O3點(diǎn)燃,反應(yīng)很猛烈，并產(chǎn)生很高熱量，這和鋁粉的在鋁熱反應(yīng)中的還原作用類似。鎂可以從四氯化鈦中置換出鈦，這也是工業(yè)生產(chǎn)金屬鈦的方法之一。17

• 鎂與空氣的反應(yīng)

金屬鎂的表面覆蓋了一層很薄的氧化物，這使得鎂可以不被空氣氧化和被水腐蝕。在空氣中點(diǎn)燃金屬鎂，會(huì)發(fā)出特有的白色火焰，這種火焰十分炫目而且明亮。燃燒的產(chǎn)物是氧化鎂（MgO）和氮化鎂（Mg3N2）的混合物。一般通過加熱碳酸鎂來制備氧化鎂。在元素周期表中緊靠在鎂下面的鈣，在空氣中的反應(yīng)活性比鎂更強(qiáng)。3

鎂粉易點(diǎn)燃，如果以高于爆炸下限的濃度將鎂粉懸浮在空氣中點(diǎn)燃，它將猛烈爆炸。在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)進(jìn)程中，可觀察到壓力很快升高。因此要強(qiáng)調(diào)在生產(chǎn)、加工和處理鎂粉時(shí)，必須采取一切可能的保護(hù)措施。用Clement-Fraser儀器測定，壓力升高的最大速率大約為266Pa/sec，Hartmann儀器記錄的速度達(dá)1662.5Pa/sec。鈣、鍶和鋇都能生成過氧化物MO2，鎂的過氧化物不能從氧化物或者燃燒得到，只能間接制得。17

• 鎂與水的反應(yīng)

鈣、鍶和鋇金屬溶于冷水而放出氫氣。從鎂的標(biāo)準(zhǔn)電勢來看，也應(yīng)有類似反應(yīng)，但事實(shí)上它相對不活潑，這是由于鎂金屬表面上能生成一層氫氧化鎂的保護(hù)膜之故。17金屬鎂可以和水蒸氣反應(yīng)生成氫氣和氧化鎂（MgO），水蒸氣過量時(shí)會(huì)生成氫氧化鎂Mg(OH)2。3

• 鎂與鹵素單質(zhì)的反應(yīng)

鎂能與氯或溴等鹵素單質(zhì)發(fā)生明顯反應(yīng)，并分別燃燒生成二鹵化物氯化鎂（Ⅱ）（MgCl2）和溴化鎂（Ⅱ）（MgBr2）。3

金屬鎂與單質(zhì)鹵素的反應(yīng)在某些有機(jī)溶劑中或在高溫而沒有O2或N2存在時(shí)都可能發(fā)生，但鎂在干燥的溴中穩(wěn)定。17

• 鎂與酸的反應(yīng)

金屬鎂在稀硫酸中迅速溶解，生成含有鎂（Ⅱ）離子的水溶液和氫氣。鎂和其他的酸（如鹽酸）發(fā)生的相應(yīng)反應(yīng)，同樣會(huì)生成鎂（Ⅱ）離子的水溶液。3

除HF以外，所有的普通酸都易與鎂作用。氫氟酸則是由于生成難溶的MgF2膜而中斷反應(yīng)。17

• 鎂與氯化銨的反應(yīng)

鎂與氯化銨的反應(yīng)，究其本質(zhì)，還是鎂與酸的反應(yīng)。氯化銨溶液中銨根離子水解，溶液顯酸性。當(dāng)加入鎂粉之后，鎂與溶液中的氫離子反應(yīng)，放出氫氣，同時(shí)放出大量的熱。銨根離子的水解產(chǎn)物——氨水，受熱之后，則發(fā)生分解。故此反應(yīng)可以得到兩種氣體。

同位素

已知的鎂同位素共22種，質(zhì)量數(shù)介于19-40之間，其中天然存在的鎂同位素有3個(gè)，分別是24Mg、25Mg、26Mg，皆為穩(wěn)定同位素，它們在自然界的相對豐度分別是78.99％、10.00％和11.01％。其他都是放射性同位素，只短暫存在于實(shí)驗(yàn)室中，半衰期很短，很不穩(wěn)定。9

制備方法

因?yàn)殒V的單質(zhì)非常易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)，在實(shí)驗(yàn)室中一般不會(huì)制備它。在海水中含有大量的鎂，可以用氧化鈣（CaO）把海水中的鎂沉淀下來，重結(jié)晶后便可得到氯化鎂（MgCl2）。3

通過電解熔融的氯化鎂可以得到液態(tài)的鎂和氯氣，鎂可以從小孔中排出。3

陰極：

陽極：

另外，制備鎂的方法可以不通過電解。這種方法使用一種重要的鎂礦——白云石[MgCa(CO3)2]。通過高溫“煅燒”白云石，可以獲得“煅燒的白云石”——MgO·CaO。把所得的產(chǎn)物與硅化鐵反應(yīng)，就可以得到鎂。

經(jīng)過蒸餾，鎂便從生成的混合物中分離出來。3

應(yīng)用領(lǐng)域

工業(yè)用途

工業(yè)純鎂的力學(xué)性能低，不做結(jié)構(gòu)材料使用。在工業(yè)上，工業(yè)純鎂除了少部分用于化學(xué)工業(yè)、儀表制造及軍事工業(yè)外，主要用于制造鎂合金及生產(chǎn)含鎂鋁合金的合金元素。世界上的原鎂產(chǎn)量約有50%用于制造鎂合金，33%用于制造鋁合金，其余的用作生產(chǎn)某些合金的還原劑、脫氧劑及變質(zhì)劑等。 10

國內(nèi)外高純鎂的應(yīng)用均主要集中在鋁合金生產(chǎn)、壓鑄生產(chǎn)、煉鋼脫硫三大領(lǐng)域，還用在稀土合金、金屬還原及其他領(lǐng)域。11

• 制備合金

由于鎂的密度小，比強(qiáng)度高，并能與鋁、銅、鋅等金屬構(gòu)成高強(qiáng)度合金，因此，鎂是重要的合金元素。世界上鎂的最大消費(fèi)領(lǐng)域是作鋁合金添加元素。11

• 壓鑄

在鎂壓鑄生產(chǎn)行業(yè)中，北美、拉美、西歐用量最多，因?yàn)槠囍圃鞓I(yè)促進(jìn)了市場對鎂需求量的增長。有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)字表明，在過去10年里，鎂合金壓鑄件在汽車上的使用量上升了15%左右，而且這種發(fā)展趨勢還在繼續(xù)。11

• 鋼廠脫硫

鎂是一種脫硫劑，特別是鋼液脫硫的最佳原料，歐美、俄羅斯等地區(qū)和國家的不少鋼廠都采用鎂脫硫。11鎂和FeS的反應(yīng)可應(yīng)用于鑄鐵中脫硫，只要在熔化的普通脆性鑄鐵鑄模之前，加入少量的鎂（0.2%或更少），即可將硫脫除，MgS成為熔渣。脫硫后的鑄鐵顯有加強(qiáng)的韌性和延性。17

• 犧牲陽極

使用鎂犧牲陽極進(jìn)行陰極保護(hù)是一種有效地防止金屬腐蝕的方法，鎂犧牲陽極具有以下特點(diǎn)：防腐性能好、不需外加直流電源、安裝后自動(dòng)運(yùn)行、不需維護(hù)、占地面積少、工程費(fèi)用低、與外界環(huán)境不發(fā)生任何干擾。鎂犧牲陽極廣泛用于石油管道、天然氣、煤氣管道和儲(chǔ)罐、港口、船舶、海底管線、鉆井平臺(tái)、機(jī)場、停車場、橋梁、發(fā)電廠、市政建設(shè)、水處理廠、石化工廠、冶煉廠、加油站的腐蝕防護(hù)以及熱水器、換熱器、蒸發(fā)器、鍋爐等設(shè)備。11

• 機(jī)械制作

鎂合金廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)、軍工領(lǐng)域、交通領(lǐng)域，包括汽車、飛機(jī)、摩托車、自行車工業(yè)以及3C領(lǐng)域等。鎂合金的特點(diǎn)可滿足于航空航天等高科技領(lǐng)域?qū)p質(zhì)材料吸噪、減震、防輻射的要求，可大大改善飛行器的氣體動(dòng)力學(xué)性能和明顯減輕結(jié)構(gòu)重量。從20世紀(jì)40年代開始，鎂合金首先在航空航天部門得到了優(yōu)先應(yīng)用。

在國外，B-36重型轟炸機(jī)每架用4086千克鎂合金薄板；噴氣式殲擊機(jī)“洛克希德F-80”的機(jī)翼用鎂板，使結(jié)構(gòu)零件的數(shù)量從47758個(gè)減少到16050個(gè)；“德熱來奈”飛船的啟動(dòng)火箭“大力神”曾使用了600千克的變形鎂合金；“季斯卡維列爾”衛(wèi)星中使用了675千克的變形鎂合金；直徑約1米的“維熱爾”火箭殼體是用鎂合金擠壓管材制造的。11

• 儲(chǔ)氫材料

以MgH2為代表的鎂基儲(chǔ)氫材料具有儲(chǔ)氫量高、鎂資源豐富以及成本低康等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是極具應(yīng)用前景的一類固態(tài)儲(chǔ)氫材料。它常被裝載到固態(tài)儲(chǔ)氫罐中，以實(shí)現(xiàn)對氫氣的規(guī)模化吸放。鎂基固態(tài)儲(chǔ)氫裝置也可以作為熱化學(xué)儲(chǔ)能模塊，用于集中式太陽能電站，實(shí)現(xiàn)連續(xù)發(fā)電滿足夜間和陰天的基本負(fù)荷需求。然而其吸放氫焓值高且氫在鎂氫化物中擴(kuò)散系數(shù)低，導(dǎo)致吸放氫溫度過高、吸放氫速度緩慢，限制了其在氫能領(lǐng)域的應(yīng)用。常用的策略是對鎂基儲(chǔ)氫材料進(jìn)行合金化、催化劑添加、納米化，最終實(shí)現(xiàn)對其氫化物復(fù)合吸放氫熱/動(dòng)力學(xué)性能的提升。12

醫(yī)療用途

鎂在醫(yī)療領(lǐng)域有多種用途，主要包括作為醫(yī)用材料和血清鎂的檢測。??

鎂合金作為一種可降解醫(yī)用材料，被譽(yù)為第三代生物醫(yī)用材料。它具有很好的可吸收性和生物相容性，特別適用于骨科植入。醫(yī)用鎂合金的密度和彈性模量與骨接近，且具有可控的腐蝕速率，因此在心血管植入和骨修復(fù)上有很好的應(yīng)用前景。13

計(jì)算化學(xué)數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)16：

1.疏水參數(shù)計(jì)算參考值（XlogP）:無

2.氫鍵供體數(shù)量:0

3.氫鍵受體數(shù)量:0

4.可旋轉(zhuǎn)化學(xué)鍵數(shù)量:0

5.互變異構(gòu)體數(shù)量:無

6.拓?fù)浞肿訕O性表面積0

7.重原子數(shù)量:1

8.表面電荷:0

9.復(fù)雜度:0

10.同位素原子數(shù)量:0

11.確定原子立構(gòu)中心數(shù)量:0

12.不確定原子立構(gòu)中心數(shù)量:0

13.確定化學(xué)鍵立構(gòu)中心數(shù)量:0

14.不確定化學(xué)鍵立構(gòu)中心數(shù)量:0

15.共價(jià)鍵單元數(shù)量:1

分子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)16：

1、摩爾折射率：無可用的

2、摩爾體積（cm3/mol）：無可用的

3、等張比容（90.2K）：無可用的

4、表面張力（dyne/cm）：無可用的

5、介電常數(shù)：無可用的

6、極化率（10-24cm3）：無可用的

7、單一同位素質(zhì)量：23.985042Da

8、標(biāo)稱質(zhì)量：24Da

9、平均質(zhì)量：24.305Da

安全措施

環(huán)境危害

長期處于金屬鎂廠的環(huán)境中，可能會(huì)導(dǎo)致急性氯氣中毒、肺部感染、視力下降、鎂中毒等，所以金屬鎂廠對人的身體危害較大。

鎂易燃，燃燒時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的白光并放出高熱。遇水或潮氣猛烈反應(yīng)放出氫氣，大量放熱，引起燃燒或爆炸。遇氯、溴、碘、硫、磷、砷、和氧化劑劇烈反應(yīng)，有燃燒、爆炸危險(xiǎn)。粉體與空氣可形成爆炸性混合物，當(dāng)達(dá)到一定濃度時(shí)，遇火星會(huì)發(fā)生爆炸。

健康危害

鎂是人體必需元素，缺乏鎂會(huì)干擾正常的神經(jīng)和肌肉活動(dòng)，引致暴躁及緊張，肌肉震顫及絞痛、心律不整、心悸、低血糖、虛弱、疲倦、神經(jīng)過敏、手腳顫抖等。然而過量的鎂攝入，會(huì)導(dǎo)致惡心、胃腸痙攣等胃腸道反應(yīng)，嗜睡、肌無力、膝腱反射弱、肌麻痹。當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重情況時(shí)，應(yīng)及時(shí)就醫(yī)。

危害防治

隔離泄漏污染區(qū)，限制出入。消除所有點(diǎn)火源。建議應(yīng)急處理人員戴防塵口罩，戴防塵口罩，穿防