戴维揭秘镁元素的秘密

戴维揭秘镁元素的秘密

1808年，英国化学家戴维首次用钾还原氧化镁制得了金属镁。镁是一种银白色的轻质碱土金属，具有较强的还原性和良好的热消散性。它广泛应用于制造轻金属合金、球墨铸铁等工业领域，同时也是生物体正常生命活动及新陈代谢过程必不可少的元素。了解镁元素的基本属性和反应机理，不仅能帮助我们更好地认识这一重要的化学元素，还能揭示戴维在科学史上的重大贡献。

镁是第12号元素，属于碱土金属，位于元素周期表的第三周期第2主族。它的原子结构有12个质子，原子核外有12个电子，分布在三个电子层上，最外层有两个电子，所以容易失去这两个电子形成+2价的阳离子。

镁的化学性质主要体现在它的活泼性上。作为金属，镁的还原性比较强，特别是高温下更容易发生反应。常见的反应包括与氧气、水、酸、二氧化碳以及某些盐溶液的反应。

首先是与氧气的反应。常温下，镁在空气中会与氧气缓慢反应，生成一层氧化镁薄膜，这层氧化膜可能起到一定的保护作用，但不如铝的氧化膜致密。而在点燃的条件下，镁条会在氧气中剧烈燃烧，发出耀眼的白光，生成氧化镁，这个反应会释放大量的热，所以常用于照明弹或闪光灯中。

然后是和水反应。镁和冷水的反应应该不太明显，但在加热的条件下，镁会与水蒸气反应生成氢氧化镁和氢气。不过可能温度需要比较高才会明显反应。此外，如果水是酸性或含有某些盐类，可能会加速反应。

接下来是与酸的反应。镁作为活泼金属，应该能与稀盐酸、稀硫酸等非氧化性酸反应，置换出氢气，同时生成相应的镁盐。例如，镁和盐酸反应生成氯化镁和氢气。但如果是浓硫酸或者硝酸这样的强氧化性酸，可能在常温下会发生钝化，或者在加热时发生更复杂的氧化还原反应，生成二氧化硫或硝酸盐等产物，而不仅仅是氢气。

还有与二氧化碳的反应。镁在点燃的条件下可以在二氧化碳中燃烧，生成氧化镁和碳。这个反应说明镁的还原性很强，甚至可以从二氧化碳中还原出碳单质。这可能是一个需要强调的重要反应，因为通常金属在二氧化碳中燃烧的情况比较少见。

另外，镁还可以与某些盐溶液反应，比如置换出金属活动性较弱的金属。例如，将镁条放入硫酸亚铁溶液中，镁会置换出铁，生成硫酸镁和铁单质。不过需要注意的是，如果盐溶液中的金属离子对应的金属在活动性顺序表中位于镁之后，才会发生置换反应。如果金属活动性比镁强，则不会反应。

此外，镁还可以在氮气中燃烧，生成氮化镁（Mg3N2）。这也是一个比较特殊的反应，因为通常金属在氮气中燃烧的情况不多，但镁的活泼性足够强，可以在高温下与氮气反应。

还需要考虑镁的保存方法。由于镁比较活泼，容易氧化，通常需要密封保存，避免接触潮湿空气或腐蚀性物质。不过镁在常温下与空气的反应可能不如钠或钾剧烈，所以储存条件可能相对宽松一些。

可能用户在学习金属的化学性质，特别是碱土金属部分，或者在做相关的实验，比如镁条的燃烧实验。用户可能需要了解镁的基本反应，以便预测实验现象或书写化学方程式。此外，用户可能对镁的应用感兴趣，比如在闪光弹、冶金工业中的还原剂，或者作为合金的成分。

此外，镁的氧化膜问题，虽然不如铝致密，但一定程度上可以减缓进一步氧化。不过如果氧化膜破裂或被破坏，内部金属会继续反应。

在书写方程式时，注意配平和反应条件。例如：

2Mg + O2 → 2MgO（点燃）

Mg + 2H2O → Mg(OH)2 + H2↑（加热）

Mg + 2HCl → MgCl2 + H2↑

2Mg + CO2 → 2MgO + C（点燃）

3Mg + N2 → Mg3N2（点燃）

Mg + Cl2 → MgCl2（点燃）

Mg + S → MgS（加热）

此外，镁的化学性质还包括：

1. 与氧气反应，常温氧化，点燃燃烧生成MgO。
2. 与热水或水蒸气反应生成Mg(OH)2和H2。
3. 与酸反应生成相应的盐和H2。
4. 与CO2反应生成MgO和C（点燃条件下）。
5. 与盐溶液置换反应。
6. 与氮气反应生成Mg3N2。
7. 与卤素（如Cl2）反应生成MgCl2。
8. 与硫反应生成MgS。

需要注意反应条件，比如是否需要加热或点燃，以及浓度的影响。同时，要强调镁的强还原性，尤其是在高温下能够还原一些稳定的氧化物或非金属氧化物。

镁的化学性质中，最令人印象深刻的是它在二氧化碳中的燃烧反应。这个反应展示了镁极强的还原能力，即使在通常被认为“惰性”的二氧化碳环境中，镁也能夺取氧元素，生成氧化镁和碳。这一特性不仅在化学实验中引人注目，也体现了镁在特定条件下的独特反应性。

镁的另一个独特之处在于它能在氮气中燃烧，生成氮化镁（Mg3N2）。这种反应在自然界中较为罕见，因为大多数金属在氮气中不会燃烧。镁的这种性质进一步证明了它作为活泼金属的特性。

镁的工业应用广泛，主要体现在以下几个方面：

1. 镁合金生产：镁合金具有良好的轻量性、切削性、耐蚀性、减震性、尺寸稳定和耐冲击性，远远优质于其他材料。这些特性使得镁合金在广泛领域都有应用，比如交通运输领域，电子工业，医疗领域，军事工业等，这种趋势只增不减。尤其在3C产品（计算机类Computer、消费类电子产品Consumer Electronic Product、通讯类Communication）、高铁、汽车、自行车、航空航天、建筑装饰、手持工具、医疗康复器械等领域应用前景好、潜力大，已经成为未来新型材料的发展方向之一。工信部在指定“十二五”期间支持发展的400多种新材料目录中，与镁相关的就有12个。

2. 炼钢脱硫：很多钢厂都采用镁脱硫，使用镁粒的脱硫效果比碳化钙好；使用镁牺牲阳极进行阴极保护，是一种有效的防止金属腐蚀的方法，镁牺牲阳极广泛用于石油管道、天燃气、煤气管道和储罐、冶炼厂、加油站的腐蚀防护以及热水器、换热器、蒸发器、锅炉等设备。

3. 生物医学应用：在医疗领域，镁首先被作为整形外科生物材料进入，因其很多的特点和属性，使镁植入物及类似应用程序成为非常具有吸引力的选择。早期，不锈钢、钛合金和钴铬合金等 用于医用植入金属材料，其优势在于其良好的耐腐蚀性，可在体内长期保持整体的结构稳定。然而，植入这些金属材料后经过一段时间后，会让许多患者痛苦不已。因为这些材料无法与身体融合，有害金属离子溶出，引发人体过敏，病愈后需通过二次手术将其取出。

因此，能够生物降解的医用金属材料就成为植入材料未来的研究与发展方向，而与人体骨骼密度最为接近的镁合金有着独特的优势（镁合金密度约为1.7g/cm³、人体骨骼密度约为1.75 g/cm³）。

镁合金容易加工成形，并且具有优良的综合力学性能以及独特的生物降解功能，而镁又是人体所必需的宏量金属元素之一，因此镁合金是医用金属材料的不二选择。镁合金的弹性模量约为45GPa，也接近于人体骨骼（10~40GPa），能有效缓解甚至避免“应力遮挡效应”；镁合金在人体中释放出的镁离子还可促进骨细胞的增殖及分化，促进骨骼的生长和愈合。不仅如此，镁合金的加工性能远优于聚乳酸、磷酸钙等其他类型可降解植入材料，因此其在心血管支架方面也具有临床应用价值。

4. 军事应用：军事装备中使用镁合金可以提高结构件强度，减轻装备重量，提高武器命中率。同时，镁合金能够满足航空航天等高科技领域对材料吸噪、减震、防辐射的要求，明显改善飞行器的气体动力学性能和减轻结构重量。因而在制造飞机和陆地车辆的柜架、壁板、支架、轮毂，以及发动机的缸体、缸盖箱和活塞等零件时，经常使用镁合金，同时，镁合金也被用于制造一些军事装备，例如掩体支架、迫击炮底座和导弹等。 随着镁合金研究的深入及材料性能的提高, 镁合金在兵器中的应用会越来越多。

镁是人体内含量仅次于钾、钠、钙的第四大金属离子，其含量为0.3～0.4 g/kg。体内镁66%位于骨骼和牙齿，33%分布于细胞内，只有约1%在细胞外体液及血液中，血清中仅含有不到0.3%的总体镁。镁在各种生物代谢过程中起重要作用，参与能量代谢、糖酵解、核酸及蛋白质的合成，尤其是作为三磷酸腺苷(ATP)的辅助因子及调控钾、钙、锌等离子通过细胞膜，涉及各种酶代谢、脑、心肌、骨骼肌、骨骼健康等众多生理活动。

低镁血症是指外周血镁浓度低于0.66～0.70 mmol/L，血清镁0.5～0.7 mmol/L可无特异的症状，仅表现为非特异的肌无力、肌痉挛、神经激惹状态等，低于0.5 mmol/L时出现严重的临床症状，如糖尿病、偏头痛、骨质疏松、抑郁等；慢性隐匿性镁缺乏是指部分血清镁正常但组织中镁缺乏。这是由于大部分镁分布于骨骼和软组织，血清或血浆中镁并不能完全反映组织和细胞内镁水平，故低镁血症与镁缺乏症概念不完全等同。低镁可致全身多种脏器功能及代谢改变，迄今已有较多文献报道，但镁缺乏导致的骨代谢异常未引起足够重视，临床上易被忽略，可导致骨代谢持续异常及骨折等情况。

镁缺乏的主要原因包括摄入不足(过度加工的食物，土壤中镁降低)，吸收异常(酗酒、糖尿病、肠道病变或腹泻)，遗传性或获得性的肾脏排泄及重吸收异常。骨骼为体内最大的镁库，其中约1/3位于骨皮质的羟基磷灰石的表面或结晶水化层的周围，为可交换的镁，具有维持血离子镁的动态平衡作用。研究发现骨表面镁与血清镁水平密切相关，增加镁负荷后骨表面镁也随之增加，骨吸收破坏时镁也随着羟磷灰石的破坏而释放入血。骨代谢包括软骨成骨及骨动态更新，涉及儿童期到成年期，那么镁缺乏与骨代谢异常的关系如何呢？

血清镁浓度与骨代谢尤其是骨质疏松密切相关。一项针对2 245例42～61岁高加索男性的前瞻性研究发现，低血镁是发生骨折及股骨颈骨折的独立危险因素；限制镁摄入即低镁饮食可促进骨质疏松症的发生。青春期前女童的镁摄入量与骨密度呈正相关，绝经期前女性腰椎骨密度、老年男性骨密度均与镁摄入量呈正相关；动物给予低镁饮食后表现为骨易碎，脆性增加，骨小梁微骨折增加，机械强度严重降低。骨折愈合过程中低镁饮食可使骨皮质变薄。镁缺乏的骨质疏松症女性小梁骨中有更大、更好的组织晶体，而晶体较大时，骨骼不能承受正常的负荷，脆性增加。镁不仅具有稳定羟磷灰石晶体稳定性并减慢其无定形的晶体形态转化的作用，还可影响磷和羟基磷灰石中钙的溶解度，维持正常的骨量，从而影响羟基磷灰石晶体的大小和形态以及晶体的形成，影响骨机械强度。

镁对维持成骨细胞的增殖和分化至关重要，骨组织处于不断成骨和骨吸收的动态平衡，并不断被重塑，保持整体骨量不变。足够的成骨细胞增殖是必要的。在体及细胞培养研究均证实镁缺乏可不同程度地抑制成骨细胞的发育和增殖。低镁饮食喂养的大鼠成骨细胞分化和矿化均表现迟缓和滞后，成骨细胞数量和骨量减少；降低骨合成，导致骨质疏松；镁离子可呈剂量依赖性增加成骨细胞活力和促进成骨细胞分化；细胞内镁浓度的增加可以刺激人成骨细胞MG-63的增殖和迁移。以镁为基础的可降解假体植入后形成局部高镁的环境可呈浓度依赖性促进成骨细胞生成，伴随成骨细胞活动性和骨量增加。

镁促进成骨细胞增殖的机制涉及血小板衍生的生长因子(PDGF)、细胞膜镁通道蛋白(TRPM7)及胞内Notch1信号等机制：(1)低镁培养可抑制PDGF对人成骨细胞株MG-63促增殖和迁移作用，PDGF具有促进TRPM7蛋白介导的镁内流作用，敲低TRPM7蛋白可阻止PDGF的促增殖作用；(2)TRPM7通道参与了细胞内离子稳态维持和成骨细胞增殖，在细胞外低镁和低钙的条件下，TRPM7可代偿性表达增加，特异性敲低TRPM7的表达可阻止镁离子的流入，抑制成骨细胞增殖；(3)镁离子通过TRPM7通道进入间充质干细胞(MSC)即成骨祖细胞，激活Notch1信号通路，增加了Notch1胞内结构域(NICD)的核易位，呈剂量依赖性促进成骨祖细胞增殖、分化和矿化，TRPM7通道抑制剂2-APB可降低镁的成骨潜能。

镁对维持破骨细胞的活动具有决定性作用。适当浓度的镁可抑制破骨细胞的骨吸收作用。低镁饮食喂养大鼠和猪表现为破骨细胞数量和活力增加，骨脆性增加；当成骨细胞和破骨细胞共培养于镁降解液时，镁可浓度依赖性促进成骨而抑制破骨细胞形成。低镁促进破骨细胞活动的机制可能涉及：(1)低镁可促进破骨前体细胞基因转录改变，破骨细胞相关的基因[c-fms、RANK、DC-STAMP、c-fos、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、白细胞介素(IL)-1β ]表达增加，破骨细胞发生和活力增强；(2)低镁可促进破骨细胞增加促炎细胞因子的分泌，如TNF-α、IL-1、P物质，使破骨细胞骨吸收增加。

低镁对软骨及骨骺生长板的影响：低镁饮食喂养的大鼠软骨细胞发育、成骨细胞分化和矿化均表现迟缓和滞后，软骨细胞柱的形成减少，生长板变薄，软骨细胞减少，成骨细胞数量减少，血清骨碱性磷酸酶、骨钙素均持续减少，表明成骨细胞功能下降。另外，低镁还可致软骨损伤，增加促炎细胞因子IL-6释放，形成骨关节炎。其机制可能为细胞外低镁、钙离子水平显著降低小鼠软骨细胞X型胶原蛋白合成，使印度刺猬同源基因(Ihh)和基质金属蛋白酶(MMP)-13基因的表达抑制，降低骨碱性磷酸酶活性，伴随着TRPM7表达上调；TRPM7可通过PI3K-Akt信号通路影响软骨细胞的骨化和肥大。

从戴维首次发现镁元素至今，人类对镁的认识已经从最初的化学性质扩展到其在工业、生物医学等领域的广泛应用。镁不仅是一种重要的工业原料，更在维持人体健康方面发挥着不可替代的作用。随着科技的进步，镁的应用前景将更加广阔，其在新材料、生物医学等领域的潜力值得期待。