【科普】宇宙中第九豐富的元素鹼土金屬，它的由來你瞭解多少？

鹼土金屬是什麼

鎂的由來

鎂（Mg）是宇宙中第九豐富的元素，它生成於巨大的老年恆星內部，由三個氦原子核相繼加入一個碳原子核形成新的鎂核。當像超新星這樣的恆星爆炸時，大部分的鎂被散射到星際介質中，在那裡鎂可以迴圈進入新的恆星系統。

鎂元素隨超新星爆發被播撒到星雲中

鎂的原子序數是12，這意味著鎂的原子核裡有12個質子，它的外圍同樣也有12個電子。

鎂被歸類於鹼土金屬，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，由於氧化的速度極快，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緻密且極薄的鈍化膜，這層膜反過來保護了內層的鎂原子，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構，它的延展性很差，一壓就裂

。所以通常需要在鎂裡邊摻入其它物質來製成合金，這可以極大地改善鎂的延展性，使它成為炙手可熱的製造材料明星。

鎂很脆（上），加入1％鋁和0。1％鈣的鎂合金後可承受54%的變形（下）

鎂的化學性質

前面一節中我們介紹了，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性質非常活潑的堿土金屬。如果你將一塊鎂扔進水裡，它會與水反應，在表面形成氫氣泡。儘管其反應速度跟堿金屬沒法比，但如果你將金屬鎂粉丟進水裡是很危險的。理論上我們可以利用鎂與水的可逆反應來獲取能量，日本的一家公司就在嘗試做“鎂基發動機”，我們將在鎂的應用章節加以介紹。

由於有鈍化膜保護，鎂可以製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生成氧化鎂（MgO）。如果只是把鎂放在氧氣環境中，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，它本來是一段影片，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後，它會自行與氧氣發生反應並劇烈燃燒。

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，會永久傷害視網膜。

鎂燃燒的火焰極難撲滅，因為鎂在高溫狀態下與氮氣、二氧化碳和水都可以發生化學反應，你只能用乾的沙子覆蓋它，將其與氧氣隔絕開來

。

800℃下，鎂與氮氣反應產生氮化鎂：

3Mg+N₂=Mg₃N₂

鎂可以在二氧化碳中點燃，生成氧化鎂和碳：

2Mg+CO₂=2MgO+C

如果用水撲滅鎂火，會因產生氫氣而爆炸：

Mg+2H₂O=Mg（OH）₂+H₂↑

鎂條燃燒發出耀眼白光

鎂的生產

鎂是地球地殼質量中第八豐富的元素

，它存在於大量的菱鎂礦MgCO₃、白雲石CaMg（CO₃）₂和其他礦物中。儘管有60多種礦物中存在鎂，但只有白雲石、菱鎂礦、水鎂石Mg（OH）₂ 、光鹵石KCl·MgCl₂·6H₂O、滑石Mg₃Si₄O₁₀（OH）₂和橄欖石（Mg， Fe）₂SiO₄具有商業開採價值，其它的礦物要麼本身儲量很少，要麼提取困難，不划算。

菱鎂礦（MgCO₃）晶體

鎂離子Mg²⁺是海水中第二豐富的陽離子，以質量計算，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上是合算的。通常化工企業會透過將氫氧化鈣加入海水中以形成氫氧化鎂沉澱物：

MgCl₂ +Ca（OH）₂ = Mg（OH）₂↓ +CaCl₂

氫氧化鎂不溶於水，可以濾出並與鹽酸反應生成濃縮的氯化鎂：

Mg（OH）₂ + 2 HCl = MgCl₂ + 2 H₂O

然後電解氯化鎂就可以得到鎂金屬了。

水鎂石Mg（OH）₂

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

白雲石，白色結晶為CaMg（CO₃）₂

大多數的情況下，我們並不需要提純金屬鎂，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和生物學都很重要。

鎂的用途

金屬鎂主要是拿來燒。出於各種不同的目的，人們發明了各種各樣的燒法。

最早的時候，東方的人們發現鎂燃燒可以發出耀眼的白色火花，所以將其製成焰火。由於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，用小刀刮擦它產生的火花可以點燃乾草或刨花。這可以在野外生存的時候代替火柴，它比打火機更耐用，並且不怕沾水。

鎂也可以跟燧石一起使用，用小刀刮擦它產生火花點火

鎂粉燃燒產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

由於鎂易燃，並且在燃燒的過程中能產生3100°C高溫，它常常被用在軍事用途。許多軍用飛機會發射含有鎂的干擾彈，以將紅外製導的導彈引到遠離自己的地方。而在第二次世界大戰期間，參戰國家使用鎂製造燃燒彈，這種燃燒彈溫度極高，並且很難被撲滅，在帶來巨大破壞的同時也給消防員們造成了很大的麻煩。

發射紅外干擾彈的運輸機

由於鎂很輕，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效能，因此鎂合金被廣泛用於生產航空航天和發動機的結構件

。當將鎂注入碳化矽奈米顆粒時，它具有極高的比強度。

早在第一次世界大戰時，鎂鋁合金就被德國人用於製造軍用飛機，二戰後鎂鋁合金得到了更廣泛的應用。德國寶馬公司利用鎂合金來製造汽車的高效能6缸發動機，實際上許多其它發動機製造企業都會在鋁中加入鎂來提高它的壓鑄和機械效能。

BMW-6的鋁鎂合金發動機缸體

除了發動機缸體的壓鑄外，鎂合金還被用來製造高階轎車的輪轂。一些手機廠商也拿它來製作智慧手機的外殼，以獲得更輕的重量和更好的機械加工效能。

保時捷的鎂合金輪轂

鎂會與水發生化學反應產生氫氣併發熱

，日本東京工業大學（TIT）和三菱公司希望研製一種“鎂噴射迴圈發動機（MAGIC）”，他們稱已經制造出一種不使用化石燃料的無汙染髮動機原型，儘管其尺寸小（直徑約5cm，高度13。5cm），但發動機可以產生幾十千瓦的熱量輸出。不過15年過去了，這項研究沒有發表更新的進展。

2004年TIT稱研製出“鎂噴射迴圈發動機（MAGIC）

除了金屬鎂外，鎂的各種化合物的應用也十分廣泛。氧化鎂常被用作各種冶金工業爐內襯高溫耐火材料，還用於農業、化學和建築業中；鎂鹽是許多種食物必不可少的新增劑，因為我們人類需要攝入鎂；鎂是葉綠素的組成部分，所以鎂鹽也被用於化肥的生產；亞硫酸鎂用於造紙；六氟矽酸鎂用於紡織，它可以防蛀；磷酸鎂在建築防火材料的生產中得到廣泛應用。

總結：

鎂來自於巨大老年恆星內部，它是由氦和碳元素結合而成，然後透過超新星爆發拋射到太空中，我們地球上所有的鎂元素都是這麼得來的。

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

金屬鎂燒出了各種用途，它可以用於發光發熱，充當閃光燈，製作干擾彈，還可以當燃燒彈。

鎂合金輕、有優良的加工效能，因此被廣泛用於航空航天和汽車發動機的製造，還被用來製成手機殼，沒準你現在拿的手機背殼就是用鎂合金做的呢！