A magnézium (nyelvújításkori magyar nevén: kesreny) a periódusos rendszer II. főcsoportjába, az alkáliföldfémek közé tartozó kémiai elem. Vegyjele Mg, rendszáma 12. Kis sűrűségű, alacsony olvadáspontú, ezüstfehér színű fém. A földkéreg hetedik leggyakoribb eleme"Abundance of Elements in the Earth's Crust and in the Sea", CRC Handbook of Chemistry and Physics, 97th edition (2016–2017), sec. 14, pg. 17, a Föld teljes tömegére nézve pedig a negyedik leggyakoribb elem (az oxigén, vas és szilícium után), viszont a többi alkáliföldfémhez hasonlóan nagy reakciókészséggel rendelkezik és ebből adódóan a természetben nem fordul elő elemi állapotban, hanem csak vegyületei formájában, amelyekben +2-es oxidációs számmal található meg. Fontos ásványai többek között a dolomit, a magnezit és a talkum, és emellett a tengervízben is jelentős mennyiségben fordul elő, ahol a harmadik legnagyobb mennyiségben oldott elem a nátrium és a klór után.
Levegővel készségesen reagál a felületén egy passzív magnézium-oxid réteget kialakítva, amely megakadályozza a fém további korrózióját. A fémmagnézium levegőn meggyújtva vakító fehér lánggal ég, égése során magnézium-oxid és magnézium-nitrid keletkezik. A magnéziumot nagy mennyiségben (2022-ben körülbelül egymillió tonna/év mennyiségbenCommodity Statistics and Information . ) állítják elő tipikusan sóolvadékának elektrolízisével vagy szilikotermiás redukció útján. A magnézium sűrűsége 1,7 g/cm3, amely az alumíniuménak mindössze kétharmada, ezért kifejezetten alkalmas szerkezeti anyagként olyan felhasználásoknál ahol a kis súly létfontosságú, például repülőgépek esetén.
A magnézium a tizenegyedik leggyakoribb elem az emberi testben, amelyen belül minden sejt számára létfontosságú és körülbelül 300 enzim alkotóeleme. Biológiai jelentősége a növények számára is hatalmas, ugyanis a fotoszintézist lehetővé tevő klorofill molekula komplex kötésű magnéziumot tartalmaz.
Története bélyegkép|balra|250px|Antoine Bussy elsőként állított elő elemi magnéziumot tiszta formában A magnézium elnevezése görög eredetű, és a magnész törzshöz kapcsolódó helynevekből származik: egyes források szerint a Thesszáliában fekvő Magnésziáról (mai nevén Magníszia), más források szerint a Kis-ázsiai Magnesia ad Siplyum (mai nevén Manisa) településről kapta a nevét. Hasonló eredetű a magnetit (mágnesvasérc) és a mangán elnevezése, amelyek szintén erről a területről származnak, és szükséges volt egy külön elnevezés a megkülönböztetéshez.
A magnézium-vegyületei már jóval az elem felfedezése előtt ismertek és használtak voltak. A magnézium-karbonát Magnesia alba, a magnézium-oxid pedig Magnesia néven volt imert. A magyar nyelven a magnézia szó a karbonátot jelölte, míg az oxidra égetett magnézia néven hivatkoztak.
Egy farmer 1618-ban Anglia Epsom városában kútvizet adott a teheneinek, de azok nem itták meg a keserű íze miatt. A farmer viszont felfedezte, hogy a víz segít a horzsolások, kiütések gyógyulásában. Az epsomi víz elpárologtatásával nyerték az Epsom-sót, amely híre gyorsan elterjedt. Később felfedezték, hogy a só hidratált magnézium-szulfátot, keserűsót (MgSO4·7H2O) tartalmaz.
A skót Joseph Black volt az első, aki megállapította, hogy a magnézium egy kémiai elem. 1755-ben, a De humore acido a cibis orto et Magnesia alba című munkájában tárgyalta a különbséget a mész (kalcium-karbonát) és a magnesia alba között, amelyet korábban gyakran kevertek. Megállapította, hogy a magnesia alba egy addig nem ismert elem karbonátja. Blacket emiatt a magnézium felfedezőjeként tartják számon, noha elemi magnéziumot nem tudott előállítani. Sir Humphry Davy volt az első, aki izolálta az elemi magnéziumot: 1808-ban magnézia és higany-oxid keverékéből elektrolízissel sikerült magnéziumot előállítania, a higany katód használata miatt viszont nem tiszta, hanem amalgám formában kapta. Davy javaslata az új elem nevével kapcsolatban magnium volt, ma már a magnézium elnevezést használjuk. Tiszta formában 1828-ben Antoine Alexandre Brutus Bussy, francia kémikus állította elő száraz magnézium-klorid káliummal való hevítésével.Bussy a magnézium izolálását 1828-ban jelentette be:
Majd 1831-ben egy részletes tanulmányt publikált az eljárásáról: 1833-ban Michael Faraday volt az első, aki magnézium-klorid olvadékából elektrolízis útján állított elő elemi magnéziumot. Faraday kísérleteire alapozva Robert Wilhelm Bunsen német kémikus 1852-ben fejlesztett ki egy olyan elektrolizáló cellát, amely segítségével nagy mennyiségben lehet magnéziumot előállítani magnézium-klorid olvadékából. A magnézium ipari előállítása a mai napig részben ezen a módszeren alapul.
A magnézium ipari gyártása 1857-ben kezdődött Franciaországban az úgynevezett Deville-Caron eljárás révén, amely során vízmentes magnézium-kloridot kalcium-fluoriddal keverve fém nátrium segítségével redukálták. Angliában a Johnson Matthey vállalat hasonló eljárással kezdte a magnéziumgyártást, de a gyártási nehézségek miatt ezek a kezdeti vállalkozások nem működtek gazdaságosan. Németországban a Bunsen-cella módosításával 1886-ban kezdődött meg a fém kísérleti gyártása, majd 1909-től az ipari léptékű termelése. Az Egyesült Államokban a General Electric kezdte meg a magnéziumtermelést 1914-ben a New York állambeli Schenectadyben. A magnézium termelése fokozatosan nőtt, majd a második világháború idején hirtelen megsokszorozódott, mivel a fémre szükség volt a gyújtóbombák gyártásához. 1941 és 1943 között az Egyesült Államok kormánya 13 magnéziumüzemet irányított, amelyeket a háború után nemsokkal bezárták, vagy privatizálták.
Tulajdonságai Elektronszerkezet bélyegkép|balra|180px|A magnézium elektronkonfigurációja A semleges magnéziumatom 12 elektronnal rendelkezik, elektronszerkezete 1s22s22p63s2: az első és a második eletronhéja teljesen lezárt, a harmadik héjon pedig két elektron ellentétes spinnel egy s-alhéjat tölt fel. Nemesgázszerkezetet két elektron leadásával érheti el, ezért vegyületeiben +2-es oxidációs számmal fordul elő. Az elektronszerkezet hatása tükröződik az ionizációs energiák értékében: a magnézium első ionizációs energiája 738 kJ/mol, a második pedig 1450 kJ/mol - a növekedés azzal magyarázható, hogy az elektront pozitív töltésű ionról kell leszakítani. A harmadik ionizációs energia jelentősen nagyobb az első kettőnél, 7730 kJ/mol, mivel a harmadik elektront a nagyon stabil neonhoz hasonló elektronszerkezetű Mg2+-ionról kell leszakítani.
A magnézium kovalens atomsugara 150 pm , amellyel a periódusban előtte lévő nátrium és az utána lévő alumínium között helyezkedik el méretben.
Kristályszerkezet bélyegkép|balra|180px|A magnézium elemi cellája. A rácsállandók: a = 3,209 Å és c = 5,211 Å A magnézium standard körülmények között szoros illeszkedésű hexagonális rácsban kristályosodik. Más kristályrendszerekkel összevetve - például a vasra jellemző tércentrált köbös ráccsal, vagy az alumíniumra jellemző lapcentrált köbös ráccsal - a hexagonális rácsban található a legkevesebb csúszási rendszer, ez megnehezíti a diszlokációk mozgását és ebből adódóan a magnézium rideg, szobahőmérsékleten rosszul alakítható.
Magas nyomáson a magnézium kristályszerkezet-átalakuláson megy keresztül. Az atmoszféranyomáson stabil szoros illeszkedésű hexagonális (hcp) szerkezet szobahőmérsékleten 50 GPa nyomás környékén tércentrált köbös (bcc) szerkezetté alakul. A hcp-bcc fázisátmenet enyhe negatív hőmérsékletfüggést mutat, amely a mérési adatok szerint −130 K/GPa. Elméleti modell alapján a hcp-bcc-folyadék hármaspontot 1200 K és 4 GPa értékre számították, ezt azonban kísérleti úton mindezidáig nem erősítették meg. Mérési adatok szerint a bcc szerkezet legalább 200 GPa nyomásig stabil, ennél nagyobb nyomásokra csak számított értékek állnak rendelkezésre. Több modell alapján is a bcc szerkezet szobahőmérsékleten magasabb nyomásokon lapcentrált köbös (fcc) szerkezetté alakul, ennél is magasabb nyomásokon pedig egyszerű hexagonális (sc), majd pedig egyszerű köbös (sc) szerkezetet feltételeznek. A modellek által megjósolt kristályszerkezeteket a Lawrence Livermore Nemzeti Laboratóriumban végzett lézeres kísérletek igazolták: 560 GPa nyomáson fcc, 960 GPa nyomáson sc, 1320 GPa nyomáson pedig az sc szerkezetet figyelték meg. Magas hőmérsékleten és nyomáson (>1200 K és >9,6 GPa) a hcp kristályszerkezet dhcp szerkezetté való átalakulása figyelhető meg.
Izotópok
A magnéziumnak három stabil izotópja létezik: a , és , melyek mindegyike jelentős mennyiségben fellelhető a természetben. A leggyakoribb közülük a , amely aránya a Földön 79%, a 11%, a pedig 10%-os arányban fordul elő. A természetes izotópok mellett eddig 19 radioaktív izotópot állítottak elő mesterséges úton 18-40 közötti tömegszámmal (a kivételével). A radioaktív izotópok közül a a leghosszabb élettartamú, ennek felezési ideje 21 óra és béta-bomlás útján -ra bomlik. Ezt az izotópot az 1950-es és 1970-es évek között több atomerőműben is termelték tudományos célokra, felhasználási lehetőségeit azonban a rövid felezési idő miatt fellépő szállítási nehézségek korlátozták.
Fizikai tulajdonságok bélyegkép|jobbra|250px|Magnéziumkristályok Az elemi magnézium szürkésfehér színű, könnyű fém, amelynek sűrűsége az alumínium sűrűségének kétharmada, az acélénak pedig mindössze negyede (1,74 g/cm3). Az alkáliföldfémek közül a magnézium rendelkezik a legalacsonyabb olvadásponttal (650 °C) és forrásponttal (1090 °C). A vasnál jobb, az alumíniumnál viszont rosszabb elektromos- és hővezető. A magnézium felületi keménysége kicsi, a Mohs-skálán 2,5, vagyis fém eszközökkel könnyedén karcolható, emellett a szakítószilárdsága is kicsi, hozzávetőlegesen 45 GPa (a szerkezeti acélé 210 GPa). A tiszta polikristályos magnézium szobahőmérsékleten rideg és a nyírósávok mentén könnyedén törik. Rossz alakíthatósága a hexagonális kristályszerkezetből következő kevés csúszási rendszerrel magyarázható. Lényegesen alakíthatóbbá tehető más fémekkel, például alumíniummal való ötvözéssel. Az alakíthatóság a szemcseméret 1 μm-es, vagy annál kisebb méretűre történő csökkentésével is jelentősen növelhető.
Kémiai tulajdonságok bélyegkép|jobbra|250px|A magnézium levegőn vakító fehér lánggal ég A magnézium a többi alkáliföldfémhez hasonlóan erősen elektropozitív jellegű, két elektron leadásával jellemzően Mg2+ iont képez, Pauling féle elektronegativitása 1,31. A Mg2+ + 2 e− → Mg reakció redoxpotenciálja -2,38 V, ebből adódóan a magnézium jó redukálószer és ilyen célra elterjedten is használják. Szabad levegőn és szobahőmérsékleten vékony, fakó színű oxidréteg képződik a felületén, amely a további oxidációtól megvédi a fémet. Levegőn meggyújtva vakító, fehér lánggal ég, magnézium-oxid és kisebb mennyiségű magnézium-nitrid keletkezése mellett: 2 Mg + O2 -> 2 MgO 3 Mg + N2 -> Mg3N2 A magnézium égése nagy energiafelszabadulással jár, égési hőmérséklete körülbelül 1370 ˚C, ezért alkalmas például a termitreakció elindítására. A magnézium-oxid tovább reagáltatható hidrogén-peroxiddal, ekkor magnézium-peroxid (MgO2) keletkezik. Ez alacsony hőmérsékleten ózonnal reagálva magnézium-szuperoxidot (Mg(O2)2) képez. A magnézium szén-dioxidban tovább ég, a szén-dioxidot elemi szénné redukálva: 2 Mg + CO2 -> 2 MgO + C A magnézium a legtöbb savval exoterm reakcióban, hidrogénfejlődés mellett reagál. A sósavval történő reakciója például: Mg + 2 HCl -> MgCl2 + H2 A magnézium szobahőmérsékleten reagál a vízzel, viszont ez a reakció egy másik alkáliföldfémmel, a kalciummal összevetve lassú. Vízbe merítve a fém felületén hidrogéngáz buborékok fejlődése figyelhető meg, viszont a reakció során képződő rosszul oldódó magnézium-hidroxid felhalmozódik a felületen, ezzel gátolva a további reakciót. A reakció sokkal gyorsabban zajlik, hogyha magnéziumport adunk vízhez, vagy ha melegítést alkalmazunk: Mg + 2 H2O -> Mg(OH)2 + H2 A magnézium a nála pozitívabb elektródpotenciálú fémek oxidjait redukálja, erre egy példa a vas(III)-oxid, amely elemi magnéziummal heves, nagy hőfejlődéssel járó termitreakcióban reagál: Fe2O3 + 3 Mg -> 2 Fe + 3 MgO
Előfordulása