Magnesium là gì?

Magnesium (magiê) là một nguyên tố hóa học; ký hiệu là Mg và số nguyên tử là 12. Nó là một kim loại màu xám sáng bóng, có khối lượng riêng thấp, nhiệt độ nóng chảy thấp và khả năng phản ứng hóa học cao. Giống như các kim loại kiềm thổ khác (nhóm 2 của bảng tuần hoàn), nó chỉ xuất hiện trong tự nhiên khi kết hợp với các nguyên tố khác và hầu như luôn có trạng thái oxy hóa +2.

Nó phản ứng dễ dàng với không khí để tạo thành một lớp phủ thụ động mỏng bằng magie oxit, giúp ức chế sự ăn mòn kim loại. Kim loại tự do cháy với ánh sáng trắng rực rỡ. 

Kim loại này chủ yếu thu được bằng cách điện phân muối magie thu được từ nước muối. Nó nhẹ hơn nhôm và chủ yếu được sử dụng làm thành phần trong các hợp kim bền và nhẹ có chứa nhôm.

Đặc điểm của Magie

Tính chất vật lý

Magie nguyên tố là một kim loại nhẹ màu trắng xám, có mật độ bằng hai phần ba so với nhôm. Magie có nhiệt độ nóng chảy thấp nhất (923 K (650 °C)) và nhiệt độ sôi thấp nhất (1.363 K (1.090 °C)) trong tất cả các kim loại kiềm thổ.

Magie đa tinh thể nguyên chất giòn và dễ gãy dọc theo các dải trượt. Nó trở nên dễ uốn hơn nhiều khi được hợp kim hóa với một lượng nhỏ kim loại khác, chẳng hạn như 1% nhôm. Độ dẻo của magie đa tinh thể cũng có thể được cải thiện đáng kể bằng cách giảm kích thước hạt xuống khoảng 1 μm hoặc nhỏ hơn.

Tính chất hóa học

Oxy hóa

Magie được sử dụng rộng rãi như một chất khử. Mặc dù nó bị oxy hóa trong không khí, nhưng không cần môi trường trơ để bảo quản; magie tạo thành một lớp mỏng magie oxit bảo vệ phần còn lại của kim loại.

Hóa học hữu cơ

Các hợp chất organomagie rất phổ biến trong hóa học hữu cơ. Chúng thường xuất hiện dưới dạng các chất phản ứng Grignard, được hình thành bằng phản ứng giữa magie với haloankan hoặc haloaryl trong diethyl ether.

Phát hiện trong dung dịch

Sự hiện diện của các ion magie có thể được phát hiện bằng cách thêm ammonium chloride, ammonium hydroxide và monosodium phosphate vào dung dịch nước hoặc dung dịch HCl loãng của muối. Sự hình thành kết tủa trắng cho thấy sự hiện diện của ion magie.

Thuốc nhuộm azo violet cũng có thể được sử dụng, chuyển sang màu xanh đậm khi có mặt dung dịch kiềm của muối magie. Màu sắc này là do azo violet bị hấp phụ bởi Mg(OH)₂.

Các dạng tồn tại của magie

Hợp kim

Tính đến năm 2013, mức tiêu thụ hợp kim magie chưa đến một triệu tấn mỗi năm, so với 50 triệu tấn hợp kim nhôm. Việc sử dụng hợp kim magie từ trước đến nay bị hạn chế do chúng có xu hướng bị ăn mòn, trượt biến dạng (creep) ở nhiệt độ cao và dễ cháy.

Ăn mòn

Trong các hợp kim magie, sự hiện diện của sắt, niken, đồng hoặc coban làm tăng mạnh quá trình ăn mòn. 

Khi có nhiều hơn một lượng rất nhỏ, các kim loại này kết tủa thành hợp chất giữa kim loại , và các vị trí kết tủa này hoạt động như các cực âm hoạt động làm giảm nước, gây mất magie. Việc kiểm soát lượng các kim loại này giúp cải thiện khả năng chống ăn mòn.

Magie biến dạng ở nhiệt độ cao và tính dễ cháy

Xu hướng bị biến dạng của magie ở nhiệt độ cao giảm đáng kể khi hợp kim với kẽm và các nguyên tố đất hiếm. Tính dễ cháy cũng được giảm đáng kể nhờ một lượng nhỏ canxi trong hợp kim.

Bằng cách sử dụng các nguyên tố đất hiếm, có thể chế tạo hợp kim magie không bắt lửa ở nhiệt độ cao hơn so với nhiệt độ nóng chảy của magie, và trong một số trường hợp có thể đẩy gần đến nhiệt độ sôi của magie.

Hợp chất

Magie tạo ra nhiều hợp chất quan trọng đối với công nghiệp và sinh học, bao gồm: magie cacbonat, magie clorua, magie citrat, magie hydroxit (sữa magie), magie oxit, magie sulfat, và magie sulfat heptahydrat (muối Epsom).

Đến năm 2020, magie hydride vẫn đang được nghiên cứu như một phương pháp lưu trữ hydro.

Đồng vị

Magie có ba đồng vị bền: ²⁴Mg, ²⁵Mg và ²⁶Mg. Tất cả đều tồn tại với lượng đáng kể trong tự nhiên. Khoảng 79% magie là ²⁴Mg. Đồng vị ²⁸Mg là phóng xạ và từ những năm 1950 đến 1970 đã được sản xuất tại một số nhà máy điện hạt nhân để phục vụ các thí nghiệm khoa học. 

Đồng vị này có thời gian bán rã tương đối ngắn (21 giờ) và việc sử dụng bị hạn chế bởi thời gian vận chuyển.

Ứng dụng của magie

Magie là kim loại kết cấu được sử dụng nhiều thứ ba, chỉ sau sắt và nhôm. Các ứng dụng chính của magie, theo thứ tự, bao gồm: hợp kim nhôm, đúc áp lực (hợp kim với kẽm), loại bỏ lưu huỳnh trong sản xuất sắt và thép, và sản xuất titan theo quy trình Kroll.

Hàng không

Wright Aeronautical đã sử dụng vỏ máy (crankcase) bằng magie trong động cơ hàng không Wright R-3350 Duplex Cyclone thời Thế chiến II.

Điều này gây ra vấn đề nghiêm trọng cho các mẫu đầu tiên của máy bay ném bom hạng nặng Boeing B-29 Superfortress khi một đám cháy động cơ phát sinh trong lúc bay làm bốc cháy vỏ máy.

Ngọn lửa tạo ra có nhiệt độ lên đến 5.600 °F (3.100 °C) và có thể cắt đứt dầm cánh khỏi thân máy bay.

Ô tô

• Porsche sử dụng khung hợp kim magie trong mẫu 917/053 giành chiến thắng tại Le Mans năm 1971, và tiếp tục dùng hợp kim magie cho khối động cơ nhờ lợi thế về trọng lượng.
• Tập đoàn Volkswagen đã sử dụng magie trong các bộ phận động cơ nhiều năm.
• Mitsubishi Motors dùng magie cho các cần chuyển số (paddle shifters).
• BMW sử dụng khối hợp kim magie trong động cơ N52, bao gồm lót xi-lanh bằng hợp kim nhôm và các ống làm mát bao quanh bằng hợp kim magie chịu nhiệt cao AJ62A. Động cơ này được sử dụng trên toàn thế giới từ 2005–2011 cho các mẫu 1, 3, 5, 6, 7 series và các dòng Z4, X1, X3, X5.
• Chevrolet sử dụng hợp kim AE44 trong mẫu Corvette Z06 năm 2006.

Điện tử

Nhờ mật độ thấp và tính chất cơ – điện tốt, magie được dùng để sản xuất điện thoại di động, laptop, tablet, máy ảnh và các linh kiện điện tử khác.

Trong một số laptop năm 2020 được cấu tạo từ linh kiện làm bằng magie được sử dụng như một tính năng cao cấp nhờ trọng lượng nhẹ.

Nguồn sáng

Magie dễ cháy, bốc cháy ở nhiệt độ khoảng 3.100 °C (3.370 K; 5.610 °F), và nhiệt độ tự bốc cháy của dải magie khoảng 473 °C (746 K; 883 °F).

Nhiệt độ cháy cao của magie làm nó trở thành công cụ hữu ích để đốt lửa khẩn cấp. Khi cháy trong không khí, magie phát ra ánh sáng trắng rực rỡ bao gồm bước sóng cực tím mạnh.

Bột magie được dùng trong pháo hoa, pháo hiệu hàng hải yêu cầu ánh sáng rực rỡ, và trong nến sinh nhật tự châm lửa.

Các ứng dụng khác

• Trong sản xuất graphite hình nút trong gang.
• Là chất phụ gia trong thuốc nổ thông thường.
• Là chất khử để tách uranium và các kim loại khác khỏi muối của chúng.
• Hợp kim magie với kẽm để tạo tấm kẽm dùng trong bản in quang khắc, vách pin khô và lợp mái.
• Nhiều hãng ô tô và hàng không đã sản xuất bộ phận động cơ và thân xe từ magie.
• Pin magie đã được thương mại hóa như pin sơ cấp, đồng thời đang được nghiên cứu cho pin sạc, như pin magie – lưu huỳnh.

Hợp chất magie

• Các hợp chất magie, chủ yếu MgO, được dùng làm vật liệu chịu lửa trong lót lò sản xuất sắt, thép, kim loại màu, thủy tinh và xi măng. 
• MgO và các hợp chất magie khác cũng dùng trong nông nghiệp, hóa chất và xây dựng. MgO từ nung vôi dùng làm cách điện cho cáp chống cháy.
• Magie phản ứng với haloalkan tạo ra các chất phản ứng Grignard, dùng cho nhiều phản ứng hữu cơ hình thành liên kết C–C.
• Muối magie có mặt trong thực phẩm, phân bón (magie là thành phần của diệp lục) và môi trường nuôi vi sinh.
• Magie sulfit dùng trong sản xuất giấy (quy trình sulfit).
• Magie phosphat dùng để chống cháy gỗ trong xây dựng.
• Magie hexafluorosilicate dùng để chống mối cho vải.