鎂的由來

鎂（Mg）是宇宙中第九豐富的元素，它生成于巨大的老年恒星內(nèi)部，由三個氦原子核相繼加入一個碳原子核形成新的鎂核。當(dāng)像超新星這樣的恒星爆炸時，大部分的鎂被散射到星際介質(zhì)中，在那里鎂可以循環(huán)進入新的恒星系統(tǒng)。

鎂元素隨超新星爆發(fā)被播撒到星云中

鎂的原子序數(shù)是12，這意味著鎂的原子核里有12個質(zhì)子，它的外圍同樣也有12個電子。鎂被歸類于堿土金屬，它最外層3s軌道上有兩個活躍的電子，這兩個電子很容易被別人“奪走”，使鎂變成 2價的陽離子，這也決定了鎂是一種活潑的金屬，它很容易被氧化。

跟鋁相似，由于氧化的速度極快，鎂的最表層原子因為迅速與空氣中的氧氣生成氧化鎂而形成一層致密且極薄的鈍化膜，這層膜反過來保護了內(nèi)層的鎂原子，它們沒有機會再與空氣中的氧接觸。所以我們看到的鎂金屬都是閃亮的銀灰色固體。

一塊鎂金屬固體

純的鎂金屬沒有太大的用處，它太脆了。鎂金屬是密排六方的晶體結(jié)構(gòu)，它的延展性很差，一壓就裂。所以通常需要在鎂里邊摻入其它物質(zhì)來制成合金，這可以極大地改善鎂的延展性，使它成為炙手可熱的制造材料明星。

鎂很脆（上），加入1％鋁和0.1％鈣的鎂合金后可承受54%的變形（下）

鎂的化學(xué)性質(zhì)

前面一節(jié)中我們介紹了，鎂的最外層3s軌道上只有2個電子，這決定了鎂是一個化學(xué)性質(zhì)非?；顫姷膲A土金屬。如果你將一塊鎂扔進水里，它會與水反應(yīng)，在表面形成氫氣泡。盡管其反應(yīng)速度跟堿金屬沒法比，但如果你將金屬鎂粉丟進水里是很危險的。理論上我們可以利用鎂與水的可逆反應(yīng)來獲取能量，日本的一家公司就在嘗試做“鎂基發(fā)動機”，我們將在鎂的應(yīng)用章節(jié)加以介紹。

由于有鈍化膜保護，鎂可以制成金屬卷和鎂碇存放

鎂可以被快速氧化，因為鎂很容易失去它外層的兩個電子，而氧獲得電子的能力又很強，所以鎂很容易與氧反應(yīng)生成氧化鎂（MgO）。如果只是把鎂放在氧氣環(huán)境中，它會形成鈍化膜來保護自己，但要點燃它，情況就大不一樣了。

下圖是用噴燈加熱一塊鎂金屬的圖，它本來是一段視頻，我從中截取了四張圖以顯示其加熱及燃燒的過程。從圖中我們可以看出，金屬鎂在空氣中加熱到一定溫度后，它會自行與氧氣發(fā)生反應(yīng)并劇烈燃燒。

鎂的加熱及燃燒過程

鎂和鎂合金的火焰溫度可達到3100℃，它發(fā)出耀眼白光，你最好不要直視鎂的火光，因為其中有大量紫外線，會永久傷害視網(wǎng)膜。鎂燃燒的火焰極難撲滅，因為鎂在高溫狀態(tài)下與氮氣、二氧化碳和水都可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，你只能用干的沙子覆蓋它，將其與氧氣隔絕開來。

800℃下，鎂與氮氣反應(yīng)產(chǎn)生氮化鎂：

3Mg N?=Mg?N?

鎂可以在二氧化碳中點燃，生成氧化鎂和碳：

2Mg CO?=2MgO C

如果用水撲滅鎂火，會因產(chǎn)生氫氣而爆炸：

Mg 2H?O=Mg(OH)? H?↑

鎂條燃燒發(fā)出耀眼白光

鎂的生產(chǎn)

鎂是地球地殼質(zhì)量中第八豐富的元素，它存在于大量的菱鎂礦MgCO?、白云石CaMg(CO?)?和其他礦物中。盡管有60多種礦物中存在鎂，但只有白云石、菱鎂礦、水鎂石Mg(OH)? 、光鹵石KCl·MgCl?·6H?O、滑石Mg?Si?O??(OH)?和橄欖石(Mg, Fe)?SiO?具有商業(yè)開采價值，其它的礦物要么本身儲量很少，要么提取困難，不劃算。

菱鎂礦（MgCO?）晶體

鎂離子Mg2?是海水中第二豐富的陽離子，以質(zhì)量計算，它大約是鈉離子含量的三分之一，所以從海水的海鹽中提供鎂在商業(yè)上是合算的。通常化工企業(yè)會通過將氫氧化鈣加入海水中以形成氫氧化鎂沉淀物：

MgCl? Ca(OH)? = Mg(OH)?↓ CaCl?

氫氧化鎂不溶于水，可以濾出并與鹽酸反應(yīng)生成濃縮的氯化鎂：

Mg(OH)? 2 HCl = MgCl? 2 H?O

然后電解氯化鎂就可以得到鎂金屬了。

水鎂石Mg(OH)?

從其它礦石中提取鎂，基本也遵循逐步合成氯化鎂的步驟，然后電解氯化鎂以得到金屬鎂。

白云石，白色結(jié)晶為CaMg(CO?)?

大多數(shù)的情況下，我們并不需要提純金屬鎂，包括碳酸鎂、氯化鎂、檸檬酸鎂、氫氧化鎂（氧化鎂乳）、氧化鎂、硫酸鎂和七水合硫酸鎂（瀉鹽）等等，這些鎂化合物對工業(yè)和生物學(xué)都很重要。

鎂的用途

金屬鎂主要是拿來燒。出于各種不同的目的，人們發(fā)明了各種各樣的燒法。

最早的時候，東方的人們發(fā)現(xiàn)鎂燃燒可以發(fā)出耀眼的白色火花，所以將其制成焰火。由于鎂粉末的自燃溫度僅為473°C，所以它也可以跟燧石一起使用，用小刀刮擦它產(chǎn)生的火花可以點燃干草或刨花。這可以在野外生存的時候代替火柴，它比打火機更耐用，并且不怕沾水。

鎂也可以跟燧石一起使用，用小刀刮擦它產(chǎn)生火花點火

鎂粉燃燒產(chǎn)生的白光很接近太陽光，所以它成為最早期照相的輔助照明。隨著“啪”的一聲響，這種原始的閃光燈發(fā)出耀眼的白光和煙霧，使照相的過程變得時髦且刺激。

最早的照相館使用燃燒鎂粉來補光

由于鎂易燃，并且在燃燒的過程中能產(chǎn)生3100°C高溫，它常常被用在軍事用途。許多軍用飛機會發(fā)射含有鎂的干擾彈，以將紅外制導(dǎo)的導(dǎo)彈引到遠離自己的地方。而在第二次世界大戰(zhàn)期間，參戰(zhàn)國家使用鎂制造燃燒彈，這種燃燒彈溫度極高，并且很難被撲滅，在帶來巨大破壞的同時也給消防員們造成了很大的麻煩。

發(fā)射紅外干擾彈的運輸機

由于鎂很輕，它與鋁和鋅等金屬的合金耐高溫低蠕變，擁有很好的機械加工性能，因此鎂合金被廣泛用于生產(chǎn)航空航天和發(fā)動機的結(jié)構(gòu)件。當(dāng)將鎂注入碳化硅納米顆粒時，它具有極高的比強度。

早在第一次世界大戰(zhàn)時，鎂鋁合金就被德國人用于制造軍用飛機，二戰(zhàn)后鎂鋁合金得到了更廣泛的應(yīng)用。德國寶馬公司利用鎂合金來制造汽車的高性能6缸發(fā)動機，實際上許多其它發(fā)動機制造企業(yè)都會在鋁中加入鎂來提高它的壓鑄和機械性能。

BMW-6的鋁鎂合金發(fā)動機缸體

除了發(fā)動機缸體的壓鑄外，鎂合金還被用來制造高端轎車的輪轂。一些手機廠商也拿它來制作智能手機的外殼，以獲得更輕的重量和更好的機械加工性能。

保時捷的鎂合金輪轂

鎂會與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氫氣并發(fā)熱，日本東京工業(yè)大學(xué)（TIT）和三菱公司希望研制一種“鎂噴射循環(huán)發(fā)動機（MAGIC）”，他們稱已經(jīng)制造出一種不使用化石燃料的無污染發(fā)動機原型，盡管其尺寸?。ㄖ睆郊s5cm，高度13.5cm），但發(fā)動機可以產(chǎn)生幾十千瓦的熱量輸出。不過15年過去了，這項研究沒有發(fā)表更新的進展。

2004年TIT稱研制出“鎂噴射循環(huán)發(fā)動機（MAGIC）

除了金屬鎂外，鎂的各種化合物的應(yīng)用也十分廣泛。氧化鎂常被用作各種冶金工業(yè)爐內(nèi)襯高溫耐火材料，還用于農(nóng)業(yè)、化學(xué)和建筑業(yè)中；鎂鹽是許多種食物必不可少的添加劑，因為我們?nèi)祟愋枰獢z入鎂；鎂是葉綠素的組成部分，所以鎂鹽也被用于化肥的生產(chǎn)；亞硫酸鎂用于造紙；六氟硅酸鎂用于紡織，它可以防蛀；磷酸鎂在建筑防火材料的生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。

總結(jié)：

鎂來自于巨大老年恒星內(nèi)部，它是由氦和碳元素結(jié)合而成，然后通過超新星爆發(fā)拋射到太空中，我們地球上所有的鎂元素都是這么得來的。

鎂的最外層有兩個自由電子，這決定了鎂是一種很活潑的堿土金屬，它能與氧氣、氮氣、水甚至二氧化碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以當(dāng)鎂燃燒的時候，無論是用水還是二氧化碳都無法撲滅，你只能選擇用干砂覆蓋滅火。

金屬鎂燒出了各種用途，它可以用于發(fā)光發(fā)熱，充當(dāng)閃光燈，制作干擾彈，還可以當(dāng)燃燒彈。

鎂合金輕、有優(yōu)良的加工性能，因此被廣泛用于航空航天和汽車發(fā)動機的制造，還被用來制成手機殼，沒準(zhǔn)你現(xiàn)在拿的手機背殼就是用鎂合金做的呢！