El magnesio es un metal alcalinotérreo que pertenece al grupo 2 de la tabla periódica. Su número atómico es 12 y se representa con el símbolo químico Mg. Es el octavo elemento más abundante en la corteza terrestre, alrededor de un 2,5% de la misma.

Este metal, al igual que sus congéneres y los metales alcalinos, no se encuentra en la naturaleza en estado nativo, sino que se combina con otros elementos para formar numerosos compuestos presentes en rocas, agua de mar y en la salmuera.

Objetos cotidianos hechos con magnesio. Fuente: Firetwister de Wikipedia.

El magnesio forma parte de minerales como la dolomita (carbonato de calcio y magnesio), la magnesita (carbonato de magnesio), la carnalita (cloruro de magnesio y potasio hexahidratado), la brucita (hidróxido de magnesio) y en silicatos como el talco y el olivino.

Su fuente natural más rica por su extensión es el mar que tiene una abundancia del 0,13%, aunque el Great Salt Lake (1,1%) y el Mar Muerto (3,4%) presentan una concentración de magnesio mayor. Hay salmueras con un alto contenido del mismo, el cual es concentrado mediante evaporación.

El nombre de magnesio probablemente deriva de la magnesita, hallada en Magnesia, en la región de Tesalia, antigua Región de Grecia. Aunque, se ha señalado que la magnetita y el manganeso, fueron hallados en la misma región.

El magnesio reacciona fuertemente con el oxígeno a temperaturas por encima de 645 ºC. Mientras, el polvo de magnesio arde en aire seco, emitiendo una luz blanca intensa. Por esta razón, fue utilizado como fuente de luz en la fotografía. Actualmente, se sigue usando esta propiedad en pirotecnia.

Es un elemento primordial para los seres vivos. Se conoce que es un cofactor para más de 300 enzimas, entre ellas varias enzimas de la glucólisis. Este es un proceso vital para los seres vivos por su relación con la producción de ATP, principal fuente energética celular.

Asimismo, forma parte de un complejo semejante al grupo hemo de la hemoglobina, presente en la clorofila. Esta es un pigmento que interviene en la realización de la fotosíntesis.

Historia

Reconocimiento

Joseph Black, químico escocés, en 1755 lo reconoció como un elemento, demostrando experimentalmente que era distinto al calcio, metal con el cual lo confundían.

Al respecto, Black escribió: “Ya vemos por experimento que la magnesia alba (carbonato de magnesio) es un compuesto de una tierra peculiar y aire fijo”.

Aislamiento

En el año 1808, Sir Humprey Davy logró aislarlo utilizando la electrólisis para producir una amalgama de magnesio y mercurio. Lo consiguió al electrolizar su sal de sulfato húmeda con el empleo de mercurio como cátodo. Posteriormente, evaporó el mercurio de la malgama mediante calentamiento, quedando el residuo de magnesio.

A. Bussy, científico francés, logró producir en 1833 el primer magnesio metálico. Para ello, Bussy produjo la reducción del cloruro de magnesio fundido con el potasio metálico.

En 1833, el científico británico Michael Faraday utilizó por vez primera la electrólisis del cloruro de magnesio para el aislamiento de este metal.

Producción

En 1886, la compañía alemana Aluminium und Magnesiumfabrik Hemelingen empleó la electrólisis de la carnalita (MgCl2·KCl·6H2O) fundida para producir magnesio.

La Hemelingen, asociada con el Complejo Industrial Farbe (IG Farben), logró desarrollar una técnica para producir grandes cantidades de cloruro de magnesio fundido para someterlo a electrólisis para la producción de magnesio y cloro.

Durante la Segunda Guerra Mundial la Dow Chemical Company (USA) y la Magnesium Elektron LTD (UK), comenzaron la reducción electrolítica del agua de mar; bombeada desde Galveston Bay, Texas y en el Mar del Norte a Hartlepool, Inglaterra, para la producción de magnesio.

Al mismo tiempo, en Ontario (Canadá) se crea una técnica para producirlo basada en el proceso de L. M. Pidgeon. La técnica consiste en la reducción térmica del óxido de magnesio con silicatos en retortas de encendido externo.

Estructura y configuración electrónica del magnesio

El magnesio cristaliza en una estructura hexagonal compacta, donde cada uno de sus átomos está rodeado por doce vecinos. Esto hace que sea más denso que otros metales, como el litio o el sodio.

Su configuración electrónica es [Ne]3s2, con dos electrones de valencia y diez de capa interna. Al tener un electrón adicional en comparación al sodio, su enlace metálico se torna más fuerte.

Esto se debe a que el átomo es más pequeño y su núcleo tiene un protón más; por tanto ejercen un efecto de atracción mayor sobre los electrones de los átomos vecinos, lo cual contrae las distancias entre los mismos. Asimismo, al haber dos electrones la banda 3s resultante está llena, y es capaz de sentir aún más la atracción de los núcleos.

Entonces, los átomos Mg terminan por sentar un cristal hexagonal denso y con un enlace metálico fuerte. Esto explica su punto de fusión mucho mayor (650 ºC) que el del sodio (98 ºC).

Todos los orbitales 3s de todos los átomos y sus doce vecinos se solapan en todas direcciones dentro del cristal, y los dos electrones se van a la vez que otros dos vienen; así sucesivamente, sin que puedan originarse los cationes Mg2+.

Números de oxidación

El magnesio puede perder dos electrones cuando forma compuestos y quedar como el catión Mg2+, el cual es isoelectrónico al gas noble neón. Al considerar su presencia en cualquier compuesto, el número de oxidación del magnesio es de +2.

Por otro lado, y aunque menos común, puede formarse el catión Mg+, el cual sólo ha perdido uno de sus dos electrones y es isoelectrónico al sodio. Cuando en un compuesto se asume su presencia, se dice entonces que el magnesio tiene un número de oxidación de +1.

Propiedades

Apariencia física

Sólido blanco brillante en estado puro, antes de oxidarse o reaccionar con el aire húmedo.

Masa atómica

24,304 g/mol.

Punto de fusión

650 ºC.

Punto de ebullición

1.091 ºC.

Densidad

1,738 g/cm3 a la temperatura ambiente. Y 1,584 g/cm3 a la temperatura de fusión; es decir, la fase líquida es menos densa que la sólida, tal como sucede con la inmensa mayoría de los compuestos o sustancias.

Calor de fusión

848 kJ/mol.

Calor de vaporización

128 kJ/mol.

Capacidad calórica molar

24,869 J/(mol·K).

Presión de vapor

A 701 K: 1 Pa; es decir, su presión de vapor es muy baja.

Electronegatividad

1,31 en la escala de Pauling.

Energía de ionización

Primer nivel de ionización: 1.737,2 kJ/mol (Mg+ gaseoso)

Segundo nivel de ionización: 1.450,7 kJ/mol (Mg2+ gaseoso, y requiere menos energía)

Tercer nivel de ionización: 7.732,7 kJ/mol (Mg3+ gaseoso, y requiere de mucha energía).

Radio atómico

160 pm.

Radio covalente

141±17 pm

Volumen atómico

13,97 cm3/mol.

Expansión térmica

24,8 µm/m·K a 25 ºC.

Conductividad térmica

156 W/m·K.

Resistividad eléctrica

43,9 nΩ·m a 20 ºC.

Conductividad eléctrica

22,4×106 S·cm3.

Dureza

2,5 en la escala de Mohs.

Nomenclatura

El magnesio metálico carece de otros nombres atribuidos. Sus compuestos, por considerarse que en la mayoría poseen un número de oxidación de +2, se mencionan utilizando la nomenclatura stock sin necesidad de expresar dicho número entre paréntesis.

Por ejemplo, el MgO es el óxido de magnesio y no óxido de magnesio (II). De acuerdo a la nomenclatura sistemática, el compuesto anterior viene a ser: monóxido de magnesio y no monóxido de monomagnesio.

Del lado de la nomenclatura tradicional sucede lo mismo que con la nomenclatura stock: los nombres de los compuestos terminan de la misma manera; es decir, con el sufijo –ico. Así, el MgO es el óxido magnésico, según esta nomenclatura.

De resto, los demás compuestos pueden o no tener nombres comunes o mineralógicos, o consisten de moléculas orgánicas (compuestos organomagnesio), cuya nomenclatura depende de la estructura molecular y de los sustituyentes alquílicos (R) o arílico (Ar).

Respecto a los compuestos organomagnesio, casi todos se tratan de reactivos de Grignard con la fórmula general RMgX. Por ejemplo, el BrMgCH3 es el bromuro de metil magnesio. Nótese que la nomenclatura no parece tan complicada en una primera toma de contacto .

Formas

Aleaciones

El magnesio se usa en aleaciones debido a que es un metal liviano, empleándose principalmente en aleaciones con aluminio, lo que mejora las características mecánicas de este metal. También se ha usado en aleaciones con el hierro.

No obstante, ha declinado su uso en aleaciones por su tendencia a corroerse a altas temperaturas.

Minerales y compuestos

Debido a su reactividad no se encuentra en la corteza terrestre en forma nativa o elemental. Más bien, forma parte de numerosos compuestos químicos, que su vez están ubicados en alrededor de 60 minerales conocidos.

Entre los minerales más comunes de magnesio están:

-Dolomita, un carbonato de calcio y magnesio, MgCO3·CaCO3

-Magnesita, un carbonato de magnesio, CaCO3

-Brucita, un hidróxido de magnesio, Mg(OH)2

-carnalita, un cloruro de magnesio y potasio, MgCl2·KCl·H2O.

Además, puede estar en la forma de otros minerales tales como:

-Kieserita, un sulfato de magnesio, MgSO4·H2O

-Forsterita, un silicato de magnesio, MgSiO4

-Crisótilo o asbesto, otro silicato de magnesio, Mg3Si2O5(OH)4

-Talco, Mg3Si14O110(OH)2.

Isótopos

El magnesio se encuentra en la naturaleza como una combinación de tres isótopos naturales: 24Mg, con un 79% de abundancia; 25Mg, con un 11% de abundancia; y el 26Mg, con un 10% de abundancia. Además, existen 19 isótopos radiactivos artificiales.

Papel biológico

Glucólisis

El magnesio es un elemento esencial para todos los seres vivos. Los seres humanos tienen una ingesta diaria de 300 – 400 mg de magnesio. Su contenido corporal se comprende entre 22 y 26 g, en un ser humano adulto, concentrado principalmente en el esqueleto óseo (60%).

La glucólisis es una secuencia de reacciones en las que la glucosa es transformada en ácido pirúvico, con una producción neta de 2 moléculas de ATP. La piruvato quinasa, la hexoquinasa y la fosfofructo quinasa, son enzimas, entre otras, de la glucólisis que utilizan al Mg como activador.

ADN

El ADN está formado por dos cadenas de nucleótidos que poseen en su estructura grupos fosfatos cargados negativamente; por lo tanto, las cadenas del ADN experimentan una repulsión electrostática. Los iones Na+, K+ y Mg2+, neutralizan las cargas negativas, evitando la disociación de las cadenas.

ATP

La molécula de ATP tiene grupos fosfatos con átomos de oxígeno cargados negativamente. Entre los átomos de oxígeno vecinos se produce una repulsión eléctrica que podría escindir la molécula de ATP.

Esto no ocurre porque el magnesio interacciona con los átomos de oxígeno vecinos, formando un quelato. Se dice que el ATP-Mg es la forma activa del ATP.

Fotosíntesis

El magnesio es esencial para la fotosíntesis, proceso central en la utilización de la energía por las plantas. Es parte de la clorofila, la cual presenta en su interior una estructura semejante al grupo hemo de la hemoglobina; pero con un átomo de magnesio en el centro en lugar de uno de hierro.

La clorofila absorbe la energía lumínica y la usa en la fotosíntesis para convertir el dióxido de carbono y el agua en glucosa y oxígeno. La glucosa y el oxígeno son utilizados posteriormente en la producción de energía.

Organismo

Una disminución en la concentración plasmática de magnesio está asociada a espasmos musculares; enfermedades cardiovasculares, como hipertensión; diabetes, osteoporosis y otras enfermedades.

El ion magnesio interviene en la regulación del funcionamiento de los canales de calcio en las células nerviosas. A concentraciones elevadas bloquea el canal de calcio. Por lo contrario, una disminución de calcio produce una activación del nervio al permitir el ingreso de calcio a las células.

Esto explicaría el espasmo y la contracción de las células musculares de las paredes de los vasos sanguíneos mayores.

Dónde se encuentra y producción

El magnesio no se encuentra en la naturaleza en estado elemental, sino formando parte de aproximadamente 60 minerales y numerosos compuestos, localizados en el mar, las rocas y las salmueras.

El mar tiene una concentración de magnesio del 0,13%. Debido a su extensión, el mar es el principal reservorio mundial de magnesio. Otros reservorios de magnesio lo constituyen el Great Salt Lake (USA), con una concentración de magnesio del 1,1%, y el Mar Muerto, con una concentración de 3,4%.

Los minerales de magnesio dolomita y magnesita, se extraen de sus vetas usando los métodos de minería tradicionales. Mientras, en la carnalita se usan soluciones que permiten que las otras sales salgan a la superficie, manteniéndose en el fondo la carnalita.

Las salmueras que contienen magnesio se concentran en estanques utilizando el calentamiento solar.

El magnesio es obtenido por dos métodos: electrólisis y reducción térmica (proceso de Pidgeon).

Electrólisis

En los procesos de electrólisis se usan sales fundidas que contienen o cloruro de magnesio anhidro, cloruro de magnesio anhidro parcialmente deshidratado, o el mineral carnalita anhidra. En algunas circunstancias para evitar la contaminación de la carnalita natural se usa la artificial.

También se puede obtener cloruro de magnesio siguiendo el procedimiento diseñado por la compañía Dow. El agua es mezclada en un floculador con el mineral dolomita ligeramente calcinada.

El cloruro de magnesio presente en la mezcla es transformado en Mg(OH)2 por la adición de hidróxido de calcio, según la reacción siguiente:

MgCl2 +     Ca(OH)2 →    Mg(OH)2 +        CaCl2

El hidróxido de magnesio precipita es tratado con ácido clorhídrico, produciéndose cloruro de magnesio y agua, según la reacción química esquematizada:

Mg(OH)2 +       2 HCl    →    MgCl2 +       2 H2O

Luego, el cloruro de magnesio es sometido a un proceso de deshidratación hasta alcanzar un 25% de hidratación, completándose la deshidratación durante el proceso de fundición. La electrólisis es realizada a una temperatura que varía entre 680 a 750 ºC.

MgCl2 →    Mg     +     Cl2

El cloro diatómico es generado en el ánodo y el magnesio fundido flota en el tope de las sales, donde es recogido.

Reducción térmica

Cristales de magnesio depositados de sus vapores. Fuente: Warut Roonguthai [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]

En el proceso de Pidgeon, la dolomita molida y calcinada se mezcla con ferrosilicio finamente molido y se colocan en retortas cilíndricas de níquel-cromo-hierro. Las retortas se colocan en el interior de un horno y están en serie con condensadores ubicados fuera del horno.

La reacción ocurre a una temperatura de 1200 ºC y a una presión baja de 13 Pa. Los cristales de magnesio se retiran de los condensadores. La escoria producida es recogida del fondo de las retortas.

2 CaO  +  2 MgO   +    Si    →   2 Mg(gaseoso)    +    Ca2SiO4 (escoria)

Los óxidos de calcio y magnesio son producidos por la calcinación de los carbonatos de calcio y magnesio presentes en la dolomita.

Reacciones

El magnesio reacciona vigorosamente con los ácidos, especialmente con los oxácidos. Su reacción con el ácido nítrico produce el nitrato de magnesio, Mg(NO3)2. Del mismo modo reacciona con el ácido clorhídrico para producir cloruro de magnesio y gas hidrógeno.

El magnesio no reacciona con los álcalis, como el hidróxido de sodio. A temperatura ambiente se recubre de una capa de óxido de magnesio, insoluble en agua, que lo protege de la corrosión.

Forma compuestos químicos, entre otros elementos, con cloro, oxígeno, nitrógeno y azufre. Es altamente reactivo con el oxígeno a altas temperaturas.

Usos

– Magnesio elemental

Aleaciones

Las aleaciones del magnesio han sido utilizadas en aviones y en automóviles. Estos últimos tienen como requisito para el control de las emanaciones de gases contaminantes, una reducción en el peso de los vehículos automotores.

Las aplicaciones del magnesio están basadas en su bajo peso, alta resistencia y facilidad para fabricar aleaciones. Las aplicaciones incluyen herramientas de mano, artículos deportivos, cámaras, electrodomésticos, marcos de equipaje, piezas de automóviles, artículos para la industria aeroespacial.

También se utilizan aleaciones de magnesio en la fabricación de aviones, cohetes y satélites espaciales, así como en fotograbado por producir un grabado rápido y controlado.

Metalurgia

El magnesio es agregado en pequeña cantidad al hierro blanco fundido, lo que mejora la resistencia y maleabilidad del mismo. Además, el magnesio mezclado con cal se inyecta en hierro de alto horno líquido, mejorando las propiedades mecánicas del acero.

El magnesio interviene en la producción de titanio, uranio y hafnio. Actúa como un agente reductor sobre el tetracloruro de titanio, en el proceso de Kroll, para originar el titanio.

Electroquímica

El magnesio se usa en una pila seca, actuando como el ánodo y el cloruro de plata como el cátodo. Cuando el magnesio se pone en contacto eléctrico con el acero en presencia de agua, se corroe de forma sacrificial, dejando al acero intacto.

Este tipo de protección del acero está presente en barcos, tanques de almacenamiento, calentadores de agua, estructuras de puentes, etc.

Pirotecnia

El magnesio en forma de polvo o de tiras arde, emitiendo una luz blanca muy intensa. Esta propiedad ha sido usada en la pirotecnia militar para producir incendios o la iluminación mediante bengalas.

Su sólido finamente dividido ha sido utilizado como un componente de combustible, especialmente en propulsores sólidos para cohetes.

– Compuestos

Carbonato de magnesio

Se emplea como aislante térmico para las calderas y las tuberías. Por ser higroscópico y soluble en agua, se utiliza para evitar que la sal común se compacte en los saleros y no fluya debidamente durante el sazonamiento de los alimentos.

Hidróxido de magnesio

Tiene aplicación como retardador del fuego. Disuelto en agua forma la conocida leche de magnesia, suspensión blanquecina que ha sido usada como antiácido y laxante.

Cloruro de magnesio

Se utiliza en la fabricación de cemento para pisos de alta resistencia, así como aditivo en la fabricación de textiles. Además, se emplea como floculante de la leche de soya para la producción del tofu.

Óxido de magnesio

Se emplea en la fabricación de ladrillos refractarios para resistir altas temperaturas y como aislante térmico y eléctrico. También se utiliza como laxante y antiácido.

Sulfato de magnesio

Se usa industrialmente para fabricar cemento y fertilizantes, curtidos y teñidos. Además es un desecante. La sal de Epsom, MgSO4·7H2O, se usa como purgante.

– Minerales

Talco

Se tiene como patrón de menor dureza (1) en la escala de Mohs. Sirve como relleno en la fabricación de papel y cartulina, así como prevenir la irritación e hidratación de la piel. Se emplea en la fabricación de materiales resistentes al calor y como base de muchos polvos de uso en cosméticos.

Crisótilo o asbesto

Ha sido usado como aislante térmico y en la industria de la construcción para la fabricación de techos. Actualmente, no se usa por ser sus fibras cancerígenas pulmonares.

Referencias

  1. Mathews, C. K., van Holde, K. E. y Ahern, K. G. (2002). Bioquímica. 3era Edición. Editorial Pearson Educación, S.A.
  2. Wikipedia. (2019). Magnesium. Recuperado de: en.wikipedia.org
  3. Clark J. (2012). Metallic bonding. Recuperado de: chemguide.co.uk
  4. Hull A. W. (1917). The Crystal Structure of Magnesium. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 3(7), 470–473. doi:10.1073/pnas.3.7.470
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