Hořčík

Z Multimediaexpo.cz

Aktuální verze z 17. 12. 2016, 16:19

Hořčík
Atomové číslo	12
Stabilní izotopy	24, 25, 26
Relativní atomová hmotnost	24,3050(6) amu
Elektronová konfigurace	[Ne] 3s2
Skupenství	Pevné
Teplota tání	650 °C (923 K)
Teplota varu	1090 °C (1363 K)
Elektronegativita (Pauling)	1,31
Hustota	1,738 g/cm³
Vzhled
Tvrdost	2,6
Atomový poloměr	1,62 Å (1,62*10-10m)
Iontový poloměr	0,78 Å (0,78*10-10m)
Skupenské teplo tání	7,11 kJ/mol
Skupenské teplo varu	136,015 kJ/mol
Skupenské teplo sublimace při 0 K	152,9122 kJ/mol
Ionisační energie Mg→Mg+	733,6105 kJ/mol
Ionisační energie Mg+→Mg2+	1 442,126 kJ/mol
Ionisační energie Mg2+→Mg3+	7 686,18 kJ/mol
Normální potenciál	-2,4 V
Hydratační teplo	1827,753 kJ/mol

Hořčík, chemická značka Mg (latinsky: Magnesium) je lehký, středně tvrdý stříbrolesklý kov, bývá nesprávně zařazován mezi kovy alkalických zemin, kam však nepatří. Využívá se při výrobě lehkých a pevných slitin, jako redukční činidlo v organické syntéze a při pyrotechnických aplikacích.

Základní fyzikálně-chemické vlastnosti

Kovový hořčík

Hořčík je středně tvrdý, lehký, tažný kov, těžší než voda, vede hůře elektrický proud a teplo. Hořčík lze díky jeho dobré tažnosti snadno válcovat na plechy a dráty. Hořčík není tolik reaktivní jako další kovy alkalických zemin, a proto se neuchovává pod petrolejem nebo naftou, ale stačí nádoby se suchým vzduchem. Hořčík se velmi dobře slévá s jinými kovy, ale jen málo z nich má praktické využití, protože se většina snadno oxiduje. Hořčík reaguje za normální teploty pomalu s kyslíkem a s vodou. Na suchém vzduchu se postupně pokryje vrstvou oxidu, která jej chrání před další oxidací, a lze jej takto uchovávat i poměrně dlouhou dobu. Při hoření hořčíku na vzduchu vzniká velmi intenzivní bílé světlo. S vodou reaguje hořčík za normální teploty velmi pomalu za vzniku hydroxidu hořečnatého. Při vyšší teplotě se hořčík slučuje velmi ochotně téměř se všemi prvky a i s některými sloučeninami - např. při hoření hořčíku v dusíkaté atmosféře vznikne nitrid hořečnatý, který se vodou rozkládá za vzniku oxidu hořečnatého a amoniaku, a při hoření hořčíku v atmosféře oxidu uhličitého vznikne oxid hořečnatý a uhlík. Hořčík se velmi dobře rozpouští ve všech běžných kyselinách za vzniku hořečnatých solí. Při rozpouštění v koncentrované kyselině sírové uniká oxid siřičitý. Při rozpouštění v kyselině dusičné se podle koncentrace tvoří vedle hořečnatých solí i další látky. Při velmi nízké koncentraci vzniká dusičnan amonný (koncentrace méně než 5%), při reakci s ředěnou kyselinou dusičnou vzniká oxid dusný (koncentrace 5%-10%), s koncentovanější reaguje za vzniku oxidu dusnatého (koncentrace 10%-asi 50%) a s koncentrovanou kyselinou reaguje za vzniku oxidu dusičitého (koncentrace 50%-100%). S kyselinou chlorovodíkovou a zředěnou kyselinou sírovou reaguje pouze za vzniku hořečnatých solí. S alkalickými hydroxidy hořčík nereaguje.

Historický vývoj

Na konci 17. století se síranu hořečnatého (tzv. hořké soli) používalo v léčitelství. Oxid hořečnatý byl na počátku 18. století nazýván jako hořká zemina. První, kdo začal rozeznávat hořkou a vápennou zeminu, byl Black roku 1755. Poprvé hořčík v elementární formě elektrolýzou taveniny chloridu hořečnatého MgCl₂ připravil sir Humphry Davy roku 1808. Chemickou cestou byl hořčík poprvé připrven působením par kovového draslíku na bezvodý chlorid hořečnatý. Tuto přípravu hořčíku provedl Bussy v roce 1830.

Výskyt v přírodě

Dolomit – CaMg(CO₃)₂

Magnezit – MgCO₃

Díky své poměrně velké reaktivitě se v přírodě hořčík vyskytuje pouze ve sloučeninách. Ve všech má mocenství Mg⁺². Hořčík je silně zastoupen jak v zemské kůře, tak ve vesmíru. Podle posledních dostupných údajů tvoří hořčík 1,9–2,5 % zemské kůry, čímž se řadí na 6. místo podle výskytu prvků. Jeho procentuální obsah odpovídá 27 640 ppm (parts per milion = počet částic na 1 milion částic) a ve výskytu se řadí za vápník a před sodík a draslík. V mořské vodě se koncentrace hořčíkových iontů udává jako 1,35 g/l a jsou tak po sodíku druhým nejvíce zastoupeným kationtem, mořská voda obsahuje zejména chlorid hořečnatý MgCl₂, bromid hořečnatý MgBr₂ a síran hořečnatý MgSO₄. Ve vesmíru připadá jeden atom hořčíku přibližně na 30 000 atomů vodíku.

Olivín – (Mg, Fe)₂[SiO₄]

Hořčík je také velmi významným biogenním prvkem. Vyskytuje se ve všech zelených rostlinách, kde je součástí chlorofylu. V organismech živočichů se také řadí mezi výzanmné biogenní prvky.

Spinel – MgO.Al₂O₃

Obsah hořčíku (obvykle uváděný jako chlorid hořečnatý MgCl₂) v mořské vodě tvoří významný podíl jeho zastoupení na Zemi. Z minerálů je velmi hojný dolomit, směsný uhličitan hořečnato-vápenatý CaMg(CO₃)₂, jehož ložiska se nacházejí v jižní Evropě, Brazílii, jižní Austrálii i Severní Americe. Poněkud vzácněji se vyskytuje čistý uhličitan hořečnatý, MgCO₃ – magnezit, který se těží především v rakouských Alpách, na Slovensku v Koreji a Číně. K dalším méně významným minerálům patří karnalit KCl.MgCl₂.6 H₂O, bischofit MgCl₂.6 H₂O, periklas MgO, brucit Mg(OH)₂, kieserit MgSO₄.H₂O, epsomit MgSO₄.7 H₂O, kainit KCl.MgSO₄.3 H₂O, polyhalit K₂SO₄.MgSO₄.2 CaSO₄.2 H₂O, boromagnesit Mg₅B₄O₁₁.2½ H₂o, hydroboracit CaMgB₆O₁₁.5 H₂O, spinel MgO.Al₂O₃, magnesioferrit MgO.Fe₂O₃, pleonast (Mg, Fe)O.(Al, Fe)₂O₃, picotit (Mg, Fe)O.(Al, Cr, Fe)₂O₃, olivín (Mg, Fe)₂[SiO₄] a mnoho dalších fosforečnanů, arseničnanů a křemičitanů. Ročně se vyrobí 100 milionů tun hořčíku a díky jeho vysokému výskytu v nerostech i v mořské vodě lze jeho obsah považovat za neomezený.

Výroba

Kovový hořčík se průmyslově vyrábí obvykle elektrolýzou roztavené směsi chloridu hořečnatého a chloridu draselného. Chlorid draselný slouží jako přísada ke snížení teploty tání chloridu hořečnatého. Chlorid hořečnatý se získává z mořské vody nebo z koncentrovaných roztoků mořské soli (solanka) nebo tavením karnalitu. Při elektrolýze se na grafitové anodě uvolňuje chlor a na železné katodě hořčík (chlorid draselný se začne rozkládat až po rozložení chloridu hořečnatého). Roztavený hořčík stoupá v tavenině na povrch a sbírá se děrovanými lžícemi. Další tzv. termický způsob, dnes stále ještě hojně využívaný, spočívá v redukci oxidu hořečnatého karbidem vápenatým nebo uhlíkem - karbotermický způsob nebo redukcí oxidu hořečnatého křemíkem - silikotermický způsob.

• Karbotermický způsob se provádí v elektrické obloukové peci při teplotě nad 2000 °C, aby nedocházelo k reakci oxidu uhelnatého s parami hořčíku. Jednodušší je redukce oxidu hořečnatého karbidem vápenatým, která probíhá při teplotě 1200 °C, ale jen za předpokladu nízké ceny karbidu.
• Silikotermický způsob se provádí reakcí páleného dolomitu s křemíkem nebo ferrosiliciem v ocelolitinových retortách zahřívaných na 1200 °C nebo ve vysokovakuových pecích. Destilující hořčík, jehož čistota je 98-99%, kondenzuje v předchlazených nádobách.

Využití

Výrobky ze slitin hořčíku

• V běžném životě se nejčastěji setkáme se slitinami hořčíku s hliníkem, mědí a manganem, které jsou známy pod názvem dural. Vyznačují se značnou mechanickou pevností a současně mimořádně nízkou hustotou. Zároveň jsou i značně odolné vůči korozi. Všechny tyto vlastnosti předurčují dural jako ideální materiál pro letecký a automobilový průmysl, ale užívá se i při výrobě výtahů, jízdních kol, lehkých žebříků ap. Další slitina hořčíku je magnalium, která obsahuje 10-30 % hořčíku a 70-90 % hliníku.
• Elementární hořčík je velmi silným redukčním činidlem a jemně rozptýlený kov se využívá k redukcím v organické syntéze ale i redukční výrobě jiných kovů (např. uranu) z roztoků jejich solí. V organické syntéze se využívají zejména velmi známé Grignardova činidla, za jejichž objev získal Victor Grignard Nobelovu cenu.

Pochodeň z Mg+KClO₄ pod zemí

• Velká reaktivita kovového hořčíku se uplatňuje v metalurgii, kde jeho přídavky odstraňují malá množství síry nebo kyslíku z roztavené oceli. Se směsí s CaO se využívá k odsířování surového železa a deoxidaci neželezných kovů.

hořící hořčík

• Reakce hořčíku s kyslíkem probíhá za vývoje značného množství tepla (lze tak dosáhnout teplot kolem 2 200 °C) a velmi intenzivního světelného záření. Zapálit hořčík ve formě tenké folie je velmi snadné a může být startérem hoření v různých pyrotechnických aplikacích. Nejznámější příklad pyrotechnické aplikace je tzv. bengálský oheň, který se i dnes používá při různých oslavách. Hořčík se zde používá k zesílení intenzity a zvětšení plamene. Popřípadě lze hořčík v podobě pilin použít k vytvoření jiskřivého efektu, který připomíná prskavku. V minulosti se směsi práškového hořčíku s okysličovadlem (KClO₃, Ba(NO₃)₂, KClO₄) po zapálení používaly namísto dnešních fotografických blesků. Díky tomu, že je v závislosti na množství možné dosáhnout téměř neomezeného světelného výkonu, se tyto tzv. osvětlovací slože používají ještě dnes při fotografování obrovských podzemních prostor.
  • Standardní a lehce připravitelné osvětlovací slože:

1. 65 % KNO₃, 26 % Mg, 9 % dřevěné uhlí
2. 66 % KClO₄, 34 % Mg
3. 50 % KClO₄, 50 % Mg (nebo Al)

• • Bezpečnostní upozornění: Při hoření hořčíku vzniká i určité množství UV záření. Bez ochranných brýlí není vhodné se dívat přímo do plamene. U směsí velmi jemně práškovaného hořčíku (pudr) s okysličovadly je hoření tak rychlé, že může přejít ve výbuch. Rizikem je i nízká teplota vzplanutí (250 ˚C). To má samozřejmě význam v pyrotechnických aplikacích, ale pro osvětlovací účely je nutné použít hořčíkovou krupici či šupinky.

Azbest

• Oxid hořečnatý má patrně největší praktické průmyslové uplatnění ze všech sloučenin hořčíku. Tato sloučenina má mimořádně vysokou odolnost vůči vysokým teplotám a současně je relativně levně dostupná ve stotunových množstvích. Je proto ideálním materiálem pro vnitřní vyložení vysokých pecí pro výrobu železa a podobné aplikace. Pro tyto účely se ovšem musí speciálně čistit, protože i poměrně malá množství příbuzných prvků (vápník) mohou dramaticky zhoršovat dlouhodobou tepelnou stabilitu magnezitových vysokopecních vyzdívek.
• hydroxid hořečnatý Mg(OH)2 se využívá proti překyselení žaludku a k výrobě gelů na spláleniny.
• Uhličitan hořečnatý se přidává do průmyslových hnojiv jako složka dodávající rostlinám potřebný hořčík pro růst a zdárný vývoj. Spíše kuriozitou je sportovní uplatnění – gymnasté, vzpěrači, atleti a horolezci si jemným práškem uhličitanu hořečnatého pokrývají ruce pro lepší uchopení některých nářadí.

Mastek ze Slovenska

• Síran hořečnatý (MgSO₄.7H₂O) je znám pod jménem epsomská sůl (nesprávně Epsomova sůl) a používá se v medicíně jako vynikající laxativum - projímadlo, zdroj hořčíku nebo přídavek do léčebných koupelí. Je často obsažen ve vřídelní soli (např. u anglického města Epsomu) a v některých minerálních vodách (např. Zaječická nebo Šaratica). Síran hořečnatý můžeme v malém množství přidat pro zlepšení chuťových a biologických vlastností do kuchyňské soli. Podobné medicínské vlastnosti vykazuje i suspenze hydroxidu hořečnatého ve vodě (hořečnaté mléko).
• V laboratoři se při zahřívání nad kahanem používá azbestová síťka - azbest je hořečnatý křemičitan o složení Mg₃Si₂H₄O₉ nebo Mg₃(Si₂O₅)(OH)₄.
• K výrobě různých užitkových předmětů např. nástavců plynových hořáků, krejčovské křídy, výrobě mastí a líčidel se používá mastku.
• Jeden z hořečnatých minerálů, který je známý jako mořská pěna neboli sepiolit (hydratovaný hořečnatý křemičitan o složení Mg₃[Si₄O₁₀].Mg(OH)₂.3 H₂O), se používá při výrobě kuřáckých potřeb.

Sloučeniny

Anorganické sloučeniny

Oxid hořečnatý

Síran hořečnatý

Chlorid hořečnatý

• Hydrid hořečnatý MgH₂ je bílá pevná látka, která se trochu rozpouští v etheru. S vodou reaguje za vzniku vodíku a hydroxidu hořečnatého. Připravuje se slučováním prvků za přítomnosti jodidu hořečnatého nebo tepelným rozkladem diethylmagnesia.
• Oxid hořečnatý MgO je za normálních podmínek bílý, jemný, drsný prášek s vysokou teplotou tání a varu. Za normální teploty vytváří oxid hořečnatý polymerní molekulu, která je bezbarvá. Avšak v podobě monomeru je oxid hořečnatý červený prášek. Oxid hořečnatý se připravuje spalováním hořčíku v kyslíkové atmosféře nebo tepelným rozkladem hydroxidu hořečnatého.
• Hydroxid hořečnatý Mg(OH)₂ je bílý prášek, velmi málo rozpustný ve vodě. Jeho rozpouštěním v kyselinách vznikají hořečnaté soli. Vzniká reakcí hořčíku s vodní parou, rozpouštěním oxidu hořečnatého ve vodě nebo reakcí hořečnatých solí s roztokem alkalického hydroxidu.

Soli

Větší část hořečnatých solí se ve vodě rozpuští, ale část se rozpouští hůře nebo vůbec, všechny soli mají bílou barvu (nebo jsou bezbarvé), pokud není anion soli barevný (manganistany, chromany). Hořečnaté soli vytváří snadno podvojné soli a dnes i komplexy, které ale nejsou pro hořčík a i další kovy alkalických zemin typické.

• Fluorid hořečnatý MgF₂ je bílá krystalická látka, která je nerozpustná ve vodě. S jinými fluoridy alkalických kovů vytváří podvojné sloučeniny. Vzniká srážením hořečnatých iontů ionty fluoridovými nebo reakcí hydroxidu hořečnatého či uhličitanu hořečnatého s kyselinou fluorovodíkovou.
• Chlorid hořečnatý MgCl₂ je bílá krystalická látka, dobře rozpustná ve vodě. Je to velmi dobré projímadlo. Velmi snadno vytváří s jinými chloridy alkalických kovů podvojné soli. Připravuje se reakcí chlorovodíku s hydroxidem hořečnatým nebo uhličitanem hořečnatým.
• Bromid hořečnatý MgBr₂ a jodid hořečnatý MgI₂ jsou bílé krystalické látky, velmi dobře rozpustné ve vodě. Jodid hořečnatý se používá v lékařství při léčbě syfilis, skrofulógy a revmatismu. Obě látky se připravují rozpouštěním hydroxidu hořečnatého nebo uhličitanu hořečnatého v příslušných kyselinách.
• Dusičnan hořečnatý Mg(NO₃)₂ je bílá rozplývavá krystalická látka, velmi dobře rozpustná ve vodě. Připravuje se rozpouštěním hydroxidu hořečnatého nebo uhličitanu hořečnatého v kyselině dusičné.
• Uhličitan hořečnatý MgCO₃ je bílý prášek, který je nerozpustný ve vodě. Používá se k přípravě dalších hořečnatých sloučenin. Vyrábí se reakcí hořečnatých kationů s roztokem rozpustného uhličitanu.
• Síran hořečnatý MgSO₄ je bílý prášek, který se velmi dobře rozpouští ve vodě. Vyrábí se reakcí uhličitanu hořečnatého, hydroxidu hořečnatého, oxidu hořečnatého nebo hořčíku s kyselinou sírovou.

Organické sloučeniny

Mezi organické sloučeniny hořčíku patří zejména hořečnaté soli organických kyselin a hořečnaté alkoholáty. K dalším hořečnatým sloučeninám patří organické komplexy. Zcela zvláštní skupinu organických hořečnatých sloučenin tvoří organokovové sloučeniny, mezi které patří velmi známé a dnes stále častěji používané Grignardova činidla.

Biologický význam hořčíku

Strukturní vzorec chlorofylu

Dostatek hořčíku v potravě je důležitý pro správnou činnost svalů a nervů (mírní podrážděnost a nervozitu), ale i pro uvolňování energie z glukózy a pro správnou stavbu kostí. Udržuje v dobrém stavu oběhový systém a je prevencí infarktu. Řadě žen odstraní potíže spojené s premenstruálním syndromem. Mírní deprese a přispívá ke zdravým zubům. V kombinaci s vápníkem působí hořčík jako přirozený uklidňující prostředek. Jeho nedostatek často pociťují sportovci, diabetici a lidé, kteří pijí příliš alkoholu. Projevuje se podrážděností, nespavostí, náladovostí, špatným trávením, bušením srdce nebo arytmiemi. Může vyvolat také deprese, případně záchvat astmatu. Přirozenými zdroji hořčíku jsou banány, mandle, ořechy, tmavá listová zelenina, obilí a celozrnné pečivo. Uvádí se, že průměrný příjem hořčíku v potravě by měl činit asi 300 mg denně. Globální význam hořčíku je však dán jeho výskytem v molekule chlorofylu. Tato organická sloučenina má jedinečnou schopnost přeměňovat prostřednictvím fotosyntézy sluneční energii na energii chemické vazby sacharidů vytvářených z oxidu uhličitého a vody. Tím je zdrojem energie pro všechny další biochemické a biologické reakce na Zemi. Zelené zbarvení rostlin je způsobeno právě přítomností chlorofylu, který nejsilněji absorbuje červené a modré světlo. Poranění, způsobená kovovým hořčíkem či slitinami, které jej obsahují, se špatně hojí.

Literatura

• Cotton F.A., Wilkinson J.:Anorganická chemie, souborné zpracování pro pokročilé, ACADEMIA, Praha 1973
• Holzbecher Z.:Analytická chemie, SNTL, Praha 1974
• Jursík F.: Anorganická chemie nekovů. 1. vyd. 2002. ISBN 80-7080-504-8
• Dr. Heinrich Remy, Anorganická chemie 1. díl, 1. vydání 1961
• N. N. Greenwood - A. Earnshaw, Chemie prvků 1. díl, 1. vydání 1993 ISBN 80-85427-38-9

Externí odkazy

• Periodická soustava a tabulka vlastností prvků [1]
• Chemický vzdělávací portál [2]
• WebElements (anglicky) [3]
• Periodická tabulka prvků [4]