镁在空气中燃烧（镁条在空气中燃烧的实验）镁的由来 镁（Mg）是宇宙中第九丰富的元素，它生成于巨大的老年恒星内部，由三个氦原子核相继加入一个碳原子核形成新的镁核。当像超新星这样的恒星爆炸时，大部分的镁被散射到星际介质中，在那里镁可以循环进入新的恒星系统。 镁元素随超新星爆发被播撒到星云中 镁的原子序数是12，这意味着镁的原子核里有12个质子，它的外围同样也有12个电子。镁被归类于碱土金属，它最外层3s轨道上有两个活跃的电子，这两个电子很容易被别人＂夺走＂，使镁变成+2价的阳离子，这也决定了镁是一种活泼的金属，它很容易被氧化。 跟铝相似，由于氧化的速度极快，镁的最表层原子因为迅速与空气中的氧气生成氧化镁而形成一层致密且极薄的钝化膜，这层膜反过来保护了内层的镁原子，它们没有机会再与空气中的氧接触。所以我们看到的镁金属都是闪亮的银灰色固体。 一块镁金属固体 纯的镁金属没有太大的用处，它太脆了。镁金属是密排六方的晶体结构，它的延展性很差，一压就裂。所以通常需要在镁里边掺入其它物质来制成合金，这可以极大地改善镁的延展性，使它成为炙手可热的制造材料明星。 镁很脆（上），加入1％铝和0.1％钙的镁合金后可承受54%的变形（下）镁的化学性质 前面一节中我们介绍了，镁的最外层3s轨道上只有2个电子，这决定了镁是一个化学性质非常活泼的堿土金属。如果你将一块镁扔进水里，它会与水反应，在表面形成氢气泡。尽管其反应速度跟堿金属没法比，但如果你将金属镁粉丢进水里是很危险的。理论上我们可以利用镁与水的可逆反应来获取能量，日本的一家公司就在尝试做＂镁基发动机＂，我们将在镁的应用章节加以介绍。 由于有钝化膜保护，镁可以制成金属卷和镁碇存放 镁可以被快速氧化，因为镁很容易失去它外层的两个电子，而氧获得电子的能力又很强，所以镁很容易与氧反应生成氧化镁（MgO）。如果只是把镁放在氧气环境中，它会形成钝化膜来保护自己，但要点燃它，情况就大不一样了。 下图是用喷灯加热一块镁金属的图，它本来是一段视频，我从中截取了四张图以显示其加热及燃烧的过程。从图中我们可以看出，金属镁在空气中加热到一定温度后，它会自行与氧气发生反应并剧烈燃烧。 镁的加热及燃烧过程 镁和镁合金的火焰温度可达到3100℃，它发出耀眼白光，你最好不要直视镁的火光，因为其中有大量紫外线，会永久伤害视网膜。镁燃烧的火焰极难扑灭，因为镁在高温状态下与氮气、二氧化碳和水都可以发生化学反应，你只能用干的沙子覆盖它，将其与氧气隔绝开来。 800℃下，镁与氮气反应产生氮化镁： 3Mg+N₂=Mg₃N₂ 镁可以在二氧化碳中点燃，生成氧化镁和碳： 2Mg+CO₂=2MgO+C 如果用水扑灭镁火，会因产生氢气而爆炸： Mg+2H₂O=Mg(OH)₂+H₂↑ 镁条燃烧发出耀眼白光镁的生产 镁是地球地壳质量中第八丰富的元素，它存在于大量的菱镁矿MgCO₃、白云石CaMg(CO₃)₂和其他矿物中。尽管有60多种矿物中存在镁，但只有白云石、菱镁矿、水镁石Mg(OH)₂ 、光卤石KCl·MgCl₂·6H₂O、滑石Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂和橄榄石(Mg, Fe)₂SiO₄具有商业开采价值，其它的矿物要么本身储量很少，要么提取困难，不划算。 菱镁矿（MgCO₃）晶体 镁离子Mg²⁺是海水中第二丰富的阳离子，以质量计算，它大约是钠离子含量的三分之一，所以从海水的海盐中提供镁在商业上是合算的。通常化工企业会通过将氢氧化钙加入海水中以形成氢氧化镁沉淀物： MgCl₂ +Ca(OH)₂ = Mg(OH)₂↓ +CaCl₂ 氢氧化镁不溶于水，可以滤出并与盐酸反应生成浓缩的氯化镁： Mg(OH)₂ + 2 HCl = MgCl₂ + 2 H₂O 然后电解氯化镁就可以得到镁金属了。 水镁石Mg(OH)₂ 从其它矿石中提取镁，基本也遵循逐步合成氯化镁的步骤，然后电解氯化镁以得到金属镁。 白云石，白色结晶为CaMg(CO₃)₂ 大多数的情况下，我们并不需要提纯金属镁，包括碳酸镁、氯化镁、柠檬酸镁、氢氧化镁（氧化镁乳）、氧化镁、硫酸镁和七水合硫酸镁（泻盐）等等，这些镁化合物对工业和生物学都很重要。镁的用途 金属镁主要是拿来烧。出于各种不同的目的，人们发明了各种各样的烧法。 最早的时候，东方的人们发现镁燃烧可以发出耀眼的白色火花，所以将其制成焰火。由于镁粉末的自燃温度仅为473°C，所以它也可以跟燧石一起使用，用小刀刮擦它产生的火花可以点燃干草或刨花。这可以在野外生存的时候代替火柴，它比打火机更耐用，并且不怕沾水。 镁也可以跟燧石一起使用，用小刀刮擦它产生火花点火 镁粉燃烧产生的白光很接近太阳光，所以它成为最早期照相的辅助照明。随着＂啪＂的一声响，这种原始的闪光灯发出耀眼的白光和烟雾，使照相的过程变得时髦且刺激。 最早的照相馆使用燃烧镁粉来补光 由于镁易燃，并且在燃烧的过程中能产生3100°C高温，它常常被用在军事用途。许多军用飞机会发射含有镁的干扰弹，以将红外制导的导弹引到远离自己的地方。而在第二次世界大战期间，参战国家使用镁制造燃烧弹，这种燃烧弹温度极高，并且很难被扑灭，在带来巨大破坏的同时也给消防员们造成了很大的麻烦。 发射红外干扰弹的运输机 由于镁很轻，它与铝和锌等金属的合金耐高温低蠕变，拥有很好的机械加工性能，因此镁合金被广泛用于生产航空航天和发动机的结构件。当将镁注入碳化硅纳米颗粒时，它具有极高的比强度。 早在第一次世界大战时，镁铝合金就被德国人用于制造军用飞机，二战后镁铝合金得到了更广泛的应用。德国宝马公司利用镁合金来制造汽车的高性能6缸发动机，实际上许多其它发动机制造企业都会在铝中加入镁来提高它的压铸和机械性能。 BMW-6的铝镁合金发动机缸体 除了发动机缸体的压铸外，镁合金还被用来制造高端轿车的轮毂。一些手机厂商也拿它来制作智能手机的外壳，以获得更轻的重量和更好的机械加工性能。 保时捷的镁合金轮毂 镁会与水发生化学反应产生氢气并发热，日本东京工业大学（TIT）和三菱公司希望研制一种＂镁喷射循环发动机（MAGIC）＂，他们称已经制造出一种不使用化石燃料的无污染发动机原型，尽管其尺寸小（直径约5cm，高度13.5cm），但发动机可以产生几十千瓦的热量输出。不过15年过去了，这项研究没有发表更新的进展。 2004年TIT称研制出＂镁喷射循环发动机（MAGIC） 除了金属镁外，镁的各种化合物的应用也十分广泛。氧化镁常被用作各种冶金工业炉内衬高温耐火材料，还用于农业、化学和建筑业中；镁盐是许多种食物必不可少的添加剂，因为我们人类需要摄入镁；镁是叶绿素的组成部分，所以镁盐也被用于化肥的生产；亚硫酸镁用于造纸；六氟硅酸镁用于纺织，它可以防蛀；磷酸镁在建筑防火材料的生产中得到广泛应用。总结： 镁来自于巨大老年恒星内部，它是由氦和碳元素结合而成，然后通过超新星爆发抛射到太空中，我们地球上所有的镁元素都是这么得来的。 镁的最外层有两个自由电子，这决定了镁是一种很活泼的碱土金属，它能与氧气、氮气、水甚至二氧化碳发生化学反应，所以当镁燃烧的时候，无论是用水还是二氧化碳都无法扑灭，你只能选择用干砂覆盖灭火。 金属镁烧出了各种用途，它可以用于发光发热，充当闪光灯，制作干扰弹，还可以当燃烧弹。 镁合金轻、有优良的加工性能，因此被广泛用于航空航天和汽车发动机的制造，还被用来制成手机壳，没准你现在拿的手机背壳就是用镁合金做的呢！