镁(magnesium)

元素周期表Ⅱ_A族元素。元素符号Mg，原子序数12，相对原子质量24．305，为银白色金属。镁有三种同位素，其质量数分别为23．99、24．99、25．99。镁的密度比铝小1/3，是一种重要的轻金属。

简史 早在公元前5世纪，在中国《列子》一书中就曾有应用“火浣布”的记载，火浣布是用镁硅酸盐纤维织成的布料。1695年英国葛留(M．Grew)发现硫酸镁和碳酸镁能治疗疾病。1755年英国卜拉克(D．Black)正式确定了元素镁的存在。1808年英国戴维(H．Davy)电解汞和氧化镁制得镁汞齐，第一次得金属镁，并按当时取得氧化镁的地方——希腊的Mag—nesia城命名新元素为magnesium。1828年法国布西(A．Bussy)用钾还原熔融氯化镁得到纯镁。1830年英国法拉第(M．Faroday)用电解熔融氯化镁得到纯镁。但直到1886年德国才开始电解镁的工业生产。MgCl2熔盐电解制取金属镁于19世纪末初具规模，此后镁便成为工业金属。

镁的生产方法分熔盐电解法炼镁和热还原法炼镁两大类。前者是镁生产的主要方法，所生产的镁约占镁总产量的3/4。在20世纪40～50年代，世界镁工业的发展主要依附于军事工业，当时生产的镁主要用于制造武器构件、照明弹等，镁的产需量随战争而起伏。第二次世界大战前，世界总产镁量3．2万t，战争期间猛增至24．85万t，战后下降。进入60年代，随着科学技术的进步，镁除用于军事工业外，还广泛用于化工、冶金、宇航、汽车运输等行业，产量逐年增加，60年代年递增率7%。70年代受能源危机冲击，平均年递增率降为3%。80年代初产量继续下降，但自1984年起镁工业稳步发展，1990年世界11个主要产镁国家的镁产量达37万t(表1)。

表1 1990年世界主要产镁国家的镁产量

中华民国时期根本没有镁工业。日本侵占东北时期建设了熔盐电解法炼镁厂和碳化钙热还原法炼镁试验装置。1943～1945年累计产镁700t，主要运往日本。日本战败后工厂装备均遭破坏。中华人民共和国建立后，以进口苏联菱镁矿为原料的熔盐电解法炼镁工厂于1957年底投产。在60～70年代，曾对卤水脱水产出的含水氯化镁和无水氯化镁为原料的熔盐电解法和以白云石为原料的热还原法炼镁进行过试验研究及小拙量生产，1970～1980年此等小厂累计镁产量占同期全国镁总产量的8．4%。这两种镁生产方法后因规模小、成本较高、工艺和装备欠完善，于1980年相继转产。1987年以来，市场需求激励了中国炼镁工业的发展。至今，除抚顺铝厂和民和镁厂为熔盐电解法炼镁的骨干企业外，一批中小型皮江法炼镁厂也相继投产，从而形成了较完整的中国镁生产体系，年产镁能力已达1．5万t。

性质镁的化合价为+2价。固体镁在常温干燥空气中比较稳定，在湿空气中易被腐蚀。镁在湿空气中被腐蚀的情况随着空气湿度增加，空气中二氧化碳、二氧化硫和氯盐含量增高而愈趋严重。镁不与氢气反应，故碳热法炼镁可用氢气做惰性介质。镁对氧有较大的亲和力，熔融镁、镁粉、镁箔在空气中易燃。在573K时镁与氮反应，943K时氮化反应异常迅速。镁在空气中燃烧除产生MgO外，还生成Mg₃N₂。镁能溶于各种无机酸(氟氢酸和铬酸除外)和有机酸，但在碱性溶液中稳定。盐卤、硫化物、氮化物、碳酸氢钠的溶液都会腐蚀镁。

镁的化学活性较强，镁中杂质会影响镁的耐蚀性，如所含氯盐在湿空气中水解生成的盐酸会严重腐蚀镁。所含的铁、镍、铜、钾和钠均会使镁的耐蚀性能变差，非金属杂质也会使镁的机械性能变坏。

镁是强还原剂，能把化学活性较弱的金属化合物还原成金属，并能把多种金属的氯化物、氟化物和氧化物还原成金属。

镁为密集六方晶体，属非磁性金属，抗冲击而不产生火花，有良好的导热与散热性能。镁无毒，不易碎裂，可以进行阳极氧化，也可以染色和电镀，有较好的抗疲劳强度和减振能力。镁的主要物理性质与机械性能分别列举于表2和表3。

表2 镁的主要物理性质性

表3 镁的主要机械性能镁

用途镁用作铝合金的添加剂可以提高铝的机械强度、耐碱腐蚀性能及改善机械加工性能，含铝、锰、锌、锂等的镁基合金结构件、压铸件的比强度高，用于制造汽车、飞机、火箭的零部件时，可减轻机体重量，节省运行能耗。镁在冶金工业中用作制取钛、锆、铪、铀、钚等金属的还原剂。用镁制取球墨铸铁的球化剂，镁粒用于钢铁冶炼的脱硫剂。在有机合成中，利用镁的格里纳德(mignard)反应可合成多种复杂的有机化合物。镁还可用作化工槽罐、地下管网和船体的保护阴极。镁用于制造干电池，镁一海水储存电池。镁的燃烧能值高，被用于爆破装置、照明弹、燃烧弹和焰火等的燃料。1989、1990年西方国家镁的应用如表4。

表4 1989、1990年西方国家镁的各种用途及其比例

由表4可见，压铸件用镁量增加幅度较大，主要是由于耐蚀性能好的高纯镁合金的开发和铸造技术的改进，导致汽车等行业用镁制品量的增加。预计压铸件的镁需要量还将继续增长。

资源与炼镁原料镁是自然界分布较广的元素之一，它的地壳丰度为2．764%，海水含镁13×10^-2%，已知的含镁矿物有60余种，具有工业价值的只有菱镁矿、白云石、光卤石、含氯化镁的盐湖水和海水。菱镁矿的分子式为MgCO₃，含Mg28．8%，中国、朝鲜、印度、原苏联、奥地利、希腊、澳大利亚等国都有丰富的菱镁矿，中国辽宁省拥有世界最大的菱镁矿床。全世界开采的菱镁矿90%用于耐火材料工业，其次是生产轻烧菱镁矿用于建筑工业，占第三位的是用于熔盐电解法炼镁工业。后者要求的菱镁矿含量不少于45%，caO、SiO₂和(Al₂O₃+Fe₂O₃)等质含量均不多于1．5%。白云石是碳酸镁和碳酸钙的复盐，分子式为MgCO₃•CaCO₃，含Mg13．2%。白云石分布最广，几乎各国都有，中国白云石资源非常丰富。用于热还原法炼镁的白云石要求其含MgO量在20%左右，CaO含量约为30%，(Al₂O₃+Fe₂O₃+SiO₂)不多于1%，(K₂O+Na₂O)不多于0.05%。光卤石是氯化镁和氯化钾的含水复盐，分子式为KCl•MgCl₂•6H₂O，含Mg8．8%。世界上最主要的光卤石矿床在前苏联、德国等，中国青海盐湖蕴藏有大量的优质光卤石。含氯化镁的盐湖水、海水非常丰富，世界海洋镁的总含量为2．1Pt。中国有长达14000km的海岸线，含氯化镁海水资源丰富。中国青海察尔汗地区盐湖水的氯化镁储量达16Tt，仅次于巴勒斯坦的死海，居世界第二位。

提取冶金主要涉及镁冶炼、镁精炼和镁锭表面处理三个环节，镁再生也属镁提取冶金的范畴。镁冶炼是使含镁原料发生物理、化学变化，产出粗镁的过程。镁冶炼产出的粗镁还含有少量的杂质，必须经过精炼脱除后，才能作为商品出售。由于镁是极易遭受腐蚀的金属，镁精炼产出的镁经过表面防腐蚀处理，可以大大减少镁锭在存放时期内的腐蚀损失。