镁元素

引入

镁条燃烧时为什么发出耀眼的白光?这个反应有什么应用?

镁为什么被称为”轻金属”?镁合金在航空航天中有什么优势?

叶绿素的核心为什么是镁离子?

镁是一种银白色的轻金属,在自然界中含量丰富（地壳第八位）。镁不仅是重要的工业金属,也是生命必需元素——叶绿素分子的核心就是镁离子。

正文

定义

镁（$\mathrm{Mg}$）是第 2 族（碱土金属元素）元素,原子序数 12,电子排布 $[\mathrm{Ne}]3s^2$,常见氧化态为 $+2$。

基本性质

性质	描述
原子序数	$12$
电子排布	$1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^2$
相对原子质量	$24.31$
常见氧化态	$+2$

镁单质

物理性质:

性质	描述
颜色	银白色
密度	$1.738g/c{\mathrm{m}}^3$（约为铝的 $2/3$,铁的 $1/4$）
熔点	$650{}^{\circ }\mathrm{C}$
沸点	$1090{}^{\circ }\mathrm{C}$
硬度	较软

化学性质:

镁比钠不活泼,但比铝活泼,是比较活泼的金属。

与氧气反应

$2\mathrm{Mg}+\mathrm{O}{}_2\stackrel{点燃}{\to }2\mathrm{MgO}$

镁条在空气中燃烧,发出耀眼的白光,生成白色氧化镁。此反应用于制造照明弹和闪光粉。

与氮气反应

$3\mathrm{Mg}+\mathrm{N}{}_2\stackrel{点燃}{\to }\mathrm{Mg}{}_3\mathrm{N}{}_2$

镁甚至能在氮气中燃烧,这是镁的特殊性质（大多数金属不能在氮气中燃烧）。

与二氧化碳反应

$2\mathrm{Mg}+\mathrm{CO}{}_2\stackrel{点燃}{\to }2\mathrm{MgO}+\mathrm{C}$

镁能在 $\mathrm{CO}{}_2$ 中燃烧,说明镁的还原性极强。因此镁着火不能用 $\mathrm{CO}{}_2$ 灭火器灭火。

与酸反应

$\mathrm{Mg}+2\mathrm{HCl}\to \mathrm{MgCl}{}_2+\mathrm{H}{}_2\uparrow$

与热水反应

$\mathrm{Mg}+2\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}\stackrel{\mathrm{\Delta }}{\to }\mathrm{Mg}(\mathrm{OH}){}_2+\mathrm{H}{}_2\uparrow$

镁与冷水反应极慢,与热水反应加快。

镁的化合物

化合物	化学式	性质与用途
氧化镁	$\mathrm{MgO}$	白色固体,熔点高（$2852{}^{\circ }\mathrm{C}$）,耐火材料
氢氧化镁	$\mathrm{Mg}(\mathrm{OH}){}_2$	白色难溶固体,弱碱,抗酸药
氯化镁	$\mathrm{MgCl}{}_2$	易溶于水,豆腐凝固剂（卤水）
碳酸镁	$\mathrm{MgCO}{}_3$	白色固体,菱镁矿主要成分
硫酸镁	$\mathrm{MgSO}{}_4$	泻盐（$\mathrm{MgSO}{}_4\cdot 7\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$）,医用

氢氧化镁的溶解平衡:

$\mathrm{Mg}(\mathrm{OH}){}_2$ 是难溶物,参见沉淀溶解平衡。

$\mathrm{Mg}(\mathrm{OH}){}_2(\mathrm{s})\rightleftharpoons \mathrm{Mg}{}^{2+}(\mathrm{aq})+2\mathrm{OH}{}^{-}(\mathrm{aq})K_{sp}=5.61\times 10^{-12}$

镁的存在与提取

自然界存在:

• 菱镁矿 $\mathrm{MgCO}{}_3$
• 白云石 $\mathrm{CaMg}(\mathrm{CO}{}_3){}_2$
• 光卤石 $\mathrm{KCl}\cdot \mathrm{MgCl}{}_2\cdot 6\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$
• 海水（$\mathrm{Mg}{}^{2+}$ 浓度约 $1.3g/L$）

工业提取:

从海水中提取镁:

1. 向海水中加石灰乳:$\mathrm{Mg}{}^{2+}+\mathrm{Ca}(\mathrm{OH}){}_2\to \mathrm{Mg}(\mathrm{OH}){}_2\downarrow +\mathrm{Ca}{}^{2+}$
2. 过滤、加盐酸:$\mathrm{Mg}(\mathrm{OH}){}_2+2\mathrm{HCl}\to \mathrm{MgCl}{}_2+2\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$
3. 蒸发结晶、电解熔融 $\mathrm{MgCl}{}_2$:$\mathrm{MgCl}{}_2\stackrel{电解}{\to }\mathrm{Mg}+\mathrm{Cl}{}_2\uparrow$

镁合金

镁合金是密度最小的实用金属结构材料。

优点	说明
密度小	约为铝合金的 $2/3$
比强度高	单位重量的强度优于钢
减震性好	吸振能力强
易加工	切削加工性能好

**应用:**航空航天、汽车轻量化、笔记本电脑外壳、相机机身。

镁与生命

• **叶绿素:**镁离子位于叶绿素分子的卟啉环中心,是光合作用的关键（参见配位化合物基础）
• **人体必需元素:**参与 300 多种酶的催化,维持神经肌肉功能
• **缺乏症状:**肌肉痉挛、心律不齐、疲劳

引出

钙和镁同族,为什么钙的金属性更强?

为什么硬水中含有较多的钙镁离子?

电解法制镁为什么用熔融 $\mathrm{MgCl}{}_2$ 而不用 $\mathrm{MgO}$?

参考:碱土金属元素、钙元素、配位化合物基础