Magnesium (Mg) – Eigenschaften, Vorkommen und Verwendung

Magnesium ist ein silberweißes, vergleichsweise leichtes Metall mit dem Elementsymbol Mg und der Ordnungszahl 12. Es gehört zu den Erdalkalimetallen und ist sowohl technisch als auch biologisch von großer Bedeutung. In der Industrie wird Magnesium für leichte Metalllegierungen verwendet, während es im menschlichen Körper an Hunderten enzymatischen Reaktionen beteiligt ist. Auch Pflanzen sind auf Magnesium angewiesen: Im grünen Blattfarbstoff Chlorophyll sitzt ein Magnesiumion im Zentrum des Moleküls. Besonders eindrucksvoll ist die Verbrennung von Magnesium, bei der ein intensiv weißes Licht entsteht.

Magnesium im Periodensystem – die wichtigsten Daten

Was ist Magnesium?

Magnesium ist ein silberweiß glänzendes Leichtmetall. Mit einer Dichte von ungefähr 1,74 g/cm³ ist es deutlich leichter als Aluminium und wesentlich leichter als Eisen. Diese Eigenschaft macht Magnesium für Anwendungen interessant, bei denen jedes eingesparte Gramm Gewicht zählt.
An trockener Luft bildet sich auf der Oberfläche eine dünne Schicht aus Reaktionsprodukten, die das darunterliegende Metall bis zu einem gewissen Grad schützt. Magnesium ist deshalb unter gewöhnlichen Bedingungen nicht so auffällig reaktionsfreudig wie das benachbarte Alkalimetall Natrium. Bei höheren Temperaturen verändert sich das Verhalten jedoch grundlegend: Magnesium kann sich entzünden und mit außergewöhnlich heller Flamme verbrennen.
Der Name Magnesium geht auf Magnesia zurück, eine historische Landschaft in Griechenland, deren Name mit verschiedenen mineralischen Stoffen verbunden ist.

Warum bildet Magnesium zweifach positive Ionen?

Ein Magnesiumatom besitzt zwölf Protonen und zwölf Elektronen. Seine Elektronen verteilen sich auf drei Schalen: zwei Elektronen in der ersten, acht in der zweiten und zwei in der dritten Schale.
Die Elektronenkonfiguration lautet 1s² 2s² 2p⁶ 3s². Die beiden äußeren Elektronen kann Magnesium bei chemischen Reaktionen abgeben. Dadurch entsteht ein zweifach positiv geladenes Magnesiumion:
Mg → Mg²⁺ + 2 e⁻
Das entstandene Mg²⁺-Ion besitzt zehn Elektronen und damit dieselbe Elektronenkonfiguration wie das Edelgas Neon (Ne). Dieser Zusammenhang erklärt die typische Oxidationsstufe +2. Magnesium bildet deshalb zahlreiche Verbindungen mit Sauerstoff, Chlor und anderen Nichtmetallen.
Im Unterschied zu Natrium (Na), das normalerweise nur ein Elektron abgibt und Na⁺-Ionen bildet, gibt Magnesium bevorzugt zwei Elektronen ab. An diesem Vergleich lässt sich gut erkennen, wie die Stellung im Periodensystem die chemischen Eigenschaften bestimmt.

Die Entdeckung von Magnesium

Die Geschichte des Magnesiums beginnt mit der Untersuchung magnesiumhaltiger Minerale und Salze. Bereits lange vor der Isolierung des reinen Metalls waren verschiedene Magnesiumverbindungen bekannt.
1808 gelang es dem britischen Chemiker Humphry Davy (1778–1829), mithilfe elektrochemischer Verfahren eine geringe Menge Magnesium in Form eines Amalgams zu gewinnen. Dabei verwendete er Quecksilber als Hilfsmittel. Davy hatte bereits 1807 die Alkalimetalle Natrium und Kalium isoliert. Seine Experimente mit elektrischer Energie trugen wesentlich dazu bei, dass die chemische Natur zahlreicher zuvor bekannter Stoffe verstanden wurde.
1831 stellte der französische Chemiker Antoine-Alexandre-Brutus Bussy (1794–1882) Magnesium durch die Umsetzung von Magnesiumchlorid mit Kalium her. Seine Arbeit war ein wichtiger Schritt zur Gewinnung des Metalls in einer besser untersuchbaren Form.
Heute wird Magnesium großtechnisch unter anderem durch die Elektrolyse geeigneter wasserfreier Magnesiumsalzschmelzen sowie durch thermische Reduktionsverfahren hergestellt.

Warum brennt Magnesium so hell?

Die Verbrennung von Magnesium gehört zu den eindrucksvollsten Reaktionen im Chemieunterricht. Wird Magnesium ausreichend erhitzt, reagiert es mit dem Sauerstoff (O) der Luft. Dabei entsteht hauptsächlich Magnesiumoxid.
2 Mg + O₂ → 2 MgO
Diese Reaktion setzt große Mengen Energie frei. Ein Teil der Energie wird als Wärme und intensives weißes Licht abgegeben. Das Licht ist so hell, dass brennendes Magnesium früher in Blitzlichtpulvern für die Fotografie verwendet wurde. Auch in bestimmten pyrotechnischen Anwendungen spielt Magnesium aufgrund seiner intensiven Lichtentwicklung eine Rolle.
Bei der Verbrennung an Luft kann zusätzlich Magnesium mit Stickstoff (N) reagieren. Dabei entsteht Magnesiumnitrid (Mg₃N₂). Das Hauptprodukt unter üblichen Bedingungen ist jedoch Magnesiumoxid.
Brennendes Magnesium darf nicht direkt betrachtet werden, da die intensive Strahlung die Augen schädigen kann. Die Reaktion gehört ausschließlich in fachkundig durchgeführte Experimente mit geeigneten Schutzmaßnahmen.

Wie reagiert Magnesium mit Wasser?

Magnesium reagiert mit kaltem Wasser unter gewöhnlichen Bedingungen nur langsam. Die Reaktion wird unter anderem durch Oberflächenschichten beeinflusst, die den Kontakt zwischen Metall und Wasser erschweren.
Mit heißem Wasser kann die Reaktion deutlicher verlaufen. Dabei entstehen Magnesiumhydroxid und Wasserstoff:
Mg + 2 H₂O → Mg(OH)₂ + H₂
Mit Wasserdampf bei erhöhter Temperatur kann Magnesium dagegen zu Magnesiumoxid reagieren:
Mg + H₂O → MgO + H₂
Die unterschiedliche Reaktionsgeschwindigkeit zeigt, wie stark chemische Reaktionen von Temperatur, Oberfläche und Reaktionsbedingungen abhängen. Vergleicht man Magnesium mit Natrium, wird der Unterschied besonders deutlich: Während Natrium bereits mit kaltem Wasser heftig reagiert, verläuft die entsprechende Reaktion bei Magnesium wesentlich langsamer.

Wo kommt Magnesium in der Natur vor?

Magnesium ist ein häufiges Element der Erdkruste und kommt wegen seiner chemischen Reaktionsfreudigkeit nahezu ausschließlich in gebundener Form vor.
Wichtige magnesiumhaltige Minerale sind beispielsweise Magnesit (MgCO₃) und Dolomit (CaMg(CO₃)₂). Auch viele Silikatminerale, darunter Olivin und verschiedene Pyroxene, enthalten Magnesium.
Magnesium spielt eine wichtige Rolle beim Aufbau zahlreicher Gesteine des Erdmantels und der Erdkruste. Besonders magnesiumreiche Silikate sind in bestimmten magmatischen Gesteinen verbreitet.
Auch Meerwasser enthält beträchtliche Mengen gelöster Magnesiumionen. Sie gehören neben Natrium-, Chlorid-, Sulfat- und weiteren Ionen zu seinen wichtigsten gelösten Bestandteilen.

Magnesium im Meerwasser

Im Meerwasser liegt Magnesium überwiegend als gelöstes Mg²⁺-Ion vor. Bei einem typischen Salzgehalt von etwa 35 Gramm pro Kilogramm Meerwasser beträgt die Magnesiumkonzentration ungefähr 1,3 Gramm pro Kilogramm.
Damit ist Meerwasser eine bedeutende natürliche Magnesiumquelle. Die Gewinnung von Magnesiumverbindungen aus Meerwasser und magnesiumhaltigen Salzlösungen besitzt deshalb auch industrielle Bedeutung. Die gelösten Magnesiumionen sind außerdem für zahlreiche chemische und biologische Prozesse in den Ozeanen relevant.

Magnesit und Dolomit – wichtige Magnesiumminerale

Magnesit ist ein Magnesiumcarbonat mit der chemischen Formel MgCO₃. Das Mineral wird unter anderem als Rohstoff für die Herstellung von Magnesiumoxid verwendet.
Magnesiumoxid ist aufgrund seines hohen Schmelzpunkts und seiner thermischen Beständigkeit ein wichtiger Bestandteil feuerfester Materialien. Solche Werkstoffe werden beispielsweise für die Auskleidung von Industrieöfen benötigt.
Dolomit besitzt die Formel CaMg(CO₃)₂ und enthält neben Magnesium auch Calcium (Ca). Das Mineral ist weit verbreitet und bildet unter anderem große Gesteinskörper. Dolomit wird beispielsweise in der Bauindustrie, in der Landwirtschaft und als industrieller Rohstoff genutzt.

Warum ist Magnesium ein wichtiges Leichtmetall?

Die geringe Dichte von Magnesium ist eine seiner wichtigsten technischen Eigenschaften. Im Vergleich zu Aluminium ist Magnesium ungefähr ein Drittel leichter; gegenüber Stahl ist die Gewichtseinsparung noch größer.
Reines Magnesium besitzt allerdings mechanische Eigenschaften, die seine Verwendung als Konstruktionswerkstoff begrenzen. Deshalb wird es häufig mit anderen Elementen legiert.
Besonders verbreitet sind Magnesiumlegierungen mit Aluminium (Al), Zink (Zn) oder weiteren geeigneten Legierungsbestandteilen. Durch die Zusammensetzung und Verarbeitung lassen sich Festigkeit, Korrosionsverhalten und andere Eigenschaften beeinflussen.
Magnesiumlegierungen werden beispielsweise für Gehäuse, Fahrzeugbauteile, bestimmte Flugzeugkomponenten und technische Geräte verwendet. Die geringe Masse kann insbesondere bei bewegten Bauteilen oder Fahrzeugen vorteilhaft sein. Allerdings müssen bei der Konstruktion unter anderem Korrosionsschutz, Festigkeit, Temperaturverhalten und Brandschutz berücksichtigt werden.

Magnesium im Flugzeug- und Fahrzeugbau

Magnesiumlegierungen wurden bereits früh für technische Bauteile eingesetzt, bei denen ein niedriges Gewicht wichtig war.
Auch im Flugzeugbau fanden sie Verwendung. Aufgrund besonderer Anforderungen an Brandverhalten und Werkstoffeigenschaften werden Magnesiumlegierungen dort jedoch nur für geeignete, entsprechend zugelassene Anwendungen eingesetzt.
Im Automobilbau kommen sie unter anderem für bestimmte Gehäuse, Trägerstrukturen und andere Bauteile infrage. Die Eignung eines Werkstoffs hängt dabei nicht allein von seiner Dichte ab. Entscheidend sind immer die Anforderungen an Belastbarkeit, Lebensdauer, Fertigung, Korrosionsschutz und Sicherheit.

Magnesium und Chlorophyll – warum Pflanzen Magnesium brauchen

Magnesium gehört zu den lebenswichtigen Nährstoffen der Pflanzen. Eine seiner bekanntesten Funktionen ist seine Rolle im Chlorophyll, dem grünen Blattfarbstoff.
Im Zentrum des Chlorophyllmoleküls befindet sich ein Magnesiumion. Es ist in eine komplexe ringförmige Molekülstruktur eingebunden. Chlorophyll absorbiert Licht bestimmter Wellenlängen und ermöglicht dadurch die Nutzung von Lichtenergie bei der Photosynthese.
Bei der oxygenen Photosynthese werden aus Kohlenstoffdioxid und Wasser mithilfe von Lichtenergie energiereiche organische Stoffe aufgebaut. Dabei wird Sauerstoff freigesetzt.
Magnesium ist allerdings nicht nur für das Chlorophyll wichtig. Es wirkt auch bei zahlreichen enzymatischen Vorgängen im pflanzlichen Stoffwechsel mit. Ein Magnesiummangel kann unter anderem zu Blattaufhellungen führen, da die Chlorophyllbildung und andere Stoffwechselprozesse beeinträchtigt werden.
Damit verbindet Magnesium die anorganische Chemie der Mineralien mit einem der wichtigsten biologischen Prozesse auf der Erde.

Warum ist Magnesium für den Menschen lebenswichtig?

Magnesium ist ein essenzielles Mengenelement. Der menschliche Körper benötigt es für zahlreiche biochemische Prozesse.
Ein Erwachsener besitzt insgesamt ungefähr 20 bis 30 Gramm Magnesium im Körper. Ein großer Anteil befindet sich im Skelett, ein weiterer bedeutender Teil in Muskeln und anderen Geweben. Nur ein kleiner Anteil liegt im Blut vor.
Magnesium ist an vielen enzymatischen Reaktionen beteiligt, insbesondere an Vorgängen, bei denen ATP eine Rolle spielt. ATP ist ein zentraler Energieträger der Zellen.
Magnesiumionen tragen außerdem zur normalen Funktion von Nerven und Muskeln bei. Sie beeinflussen unter anderem die Erregbarkeit von Zellen und verschiedene Transportprozesse an Zellmembranen. Auch für den Knochenstoffwechsel und die normale Proteinsynthese ist Magnesium wichtig.
Die Bedeutung des Elements reicht damit weit über seine bekannte Rolle bei Muskelkontraktionen hinaus.

Wie viel Magnesium braucht der Mensch?

Der Magnesiumbedarf hängt unter anderem von Alter, Geschlecht und Lebenssituation ab.
Die Deutsche Gesellschaft für Ernährung nennt für Erwachsene im Alter von 19 bis unter 65 Jahren Schätzwerte für eine angemessene Zufuhr von ungefähr 300 mg täglich für Frauen und 350 mg täglich für Männer.
Magnesium kommt in vielen Lebensmitteln vor, beispielsweise in Vollkornprodukten, Hülsenfrüchten, Nüssen, Samen und grünem Gemüse.
Bei einer ausgewogenen Ernährung lässt sich der Bedarf häufig über Lebensmittel decken. Nahrungsergänzungsmittel sind nicht grundsätzlich erforderlich und können bei übermäßiger Einnahme unerwünschte Wirkungen verursachen. Die biologische Bedeutung des Magnesiums bezieht sich auf Magnesiumionen und magnesiumhaltige Verbindungen – nicht auf das elementare Metall.

Magnesium und Muskeln – was steckt dahinter?

Magnesium ist an der normalen Funktion von Muskeln und Nerven beteiligt. Bei der Muskelkontraktion spielen außerdem Calcium (Ca), Natrium und Kalium wichtige Rollen.
Calciumionen wirken bei der Auslösung von Muskelkontraktionen mit, während Magnesium unter anderem an der Regulation verschiedener zellulärer Prozesse beteiligt ist.
Ein ausgeprägter Magnesiummangel kann neuromuskuläre Beschwerden verursachen. Allerdings sind Muskelkrämpfe nicht automatisch ein Zeichen für Magnesiummangel. Sie können viele unterschiedliche Ursachen haben. Die verbreitete Vorstellung, Magnesium helfe grundsätzlich gegen jede Form von Muskelkrämpfen, ist wissenschaftlich nicht ausreichend belegt.

Wofür wird Magnesium verwendet?

Leichte Metalllegierungen

Magnesium wird für die Herstellung leichter Legierungen eingesetzt. Diese finden unter anderem im Fahrzeugbau, in technischen Gehäusen und in geeigneten Komponenten der Luftfahrt Verwendung.

Feuerfeste Werkstoffe

Aus magnesiumhaltigen Rohstoffen wird Magnesiumoxid hergestellt. Aufgrund seiner hohen Temperaturbeständigkeit wird es für feuerfeste Materialien und Ofenauskleidungen genutzt.

Chemische Industrie

Magnesium dient in bestimmten chemischen Prozessen als Reduktionsmittel. Außerdem wird es zur Herstellung wichtiger magnesiumorganischer Verbindungen verwendet. Ein bekanntes Beispiel sind Grignard-Verbindungen, die in der organischen Synthese eine große Bedeutung besitzen.

Licht- und pyrotechnische Anwendungen

Die intensive Lichtentwicklung bei der Verbrennung machte Magnesium historisch zu einem wichtigen Bestandteil fotografischer Blitzlichtverfahren. Auch heute wird es in ausgewählten pyrotechnischen Anwendungen verwendet.

Korrosionsschutz

Magnesium kann in geeigneten technischen Systemen als Opferanode eingesetzt werden. Dabei wird das unedlere Magnesium bevorzugt oxidiert und schützt dadurch bestimmte andere Metalle vor Korrosion.

Welche Isotope besitzt Magnesium?

Natürlich vorkommendes Magnesium besteht aus drei stabilen Isotopen:

• Magnesium-24 (²⁴Mg): ungefähr 79 Prozent

• Magnesium-25 (²⁵Mg): ungefähr 10 Prozent

• Magnesium-26 (²⁶Mg): ungefähr 11 Prozent

Alle drei Isotope besitzen zwölf Protonen, unterscheiden sich jedoch in der Zahl ihrer Neutronen. Magnesiumisotope sind unter anderem für geochemische und kosmochemische Untersuchungen interessant. Mit ihrer Hilfe lassen sich bestimmte Prozesse in Gesteinen, Mineralien und frühen Materialien des Sonnensystems erforschen.

Magnesium im Vergleich zu Natrium und Calcium

Magnesium steht im Periodensystem zwischen Natrium (Na) und Aluminium (Al). Direkt unter Magnesium befindet sich Calcium (Ca), das ebenfalls zur Gruppe der Erdalkalimetalle gehört.
Natrium besitzt ein Außenelektron und bildet bevorzugt Na⁺-Ionen. Magnesium besitzt zwei Außenelektronen und bildet Mg²⁺-Ionen. Aluminium besitzt drei Außenelektronen und tritt in vielen Verbindungen in der Oxidationsstufe +3 auf.
Der Vergleich mit Calcium zeigt dagegen die Gemeinsamkeiten innerhalb einer Elementgruppe: Beide Elemente bilden typischerweise zweifach positiv geladene Ionen und sind biologisch bedeutsam.
An solchen Vergleichen wird deutlich, warum das Periodensystem mehr ist als eine geordnete Liste chemischer Elemente. Es ermöglicht, Zusammenhänge zwischen Atombau, chemischen Eigenschaften und Reaktionsverhalten zu erkennen.

Fünf interessante Fakten über Magnesium

1. Magnesium ist deutlich leichter als Aluminium. Seine geringe Dichte macht es zu einem wichtigen Werkstoff für ausgewählte Leichtbauanwendungen.
2. Brennendes Magnesium erzeugt ein extrem helles weißes Licht. Diese Eigenschaft wurde früher für fotografische Blitzlichtverfahren genutzt.
3. Ohne Magnesium gäbe es kein funktionsfähiges Chlorophyll. Das Element sitzt im Zentrum des grünen Blattfarbstoffs und ist damit eng mit der Photosynthese verbunden.
4. Magnesium ist ein wichtiger Bestandteil unseres Körpers. Es unterstützt zahlreiche Enzymreaktionen sowie die normale Funktion von Nerven und Muskeln.
5. Magnesium kommt auch im Meerwasser vor. Dort liegt es als gelöstes Mg²⁺-Ion vor und gehört zu den häufigsten gelösten Kationen.

Magnesium im Periodensystem verstehen

Magnesium zeigt besonders anschaulich, wie die Stellung eines Elements im Periodensystem seine Eigenschaften bestimmt. Die beiden Außenelektronen erklären die bevorzugte Bildung von Mg²⁺-Ionen und viele seiner chemischen Reaktionen.
Die Nachbarschaft zu Natrium (Na) und Aluminium (Al) verdeutlicht den Wandel der Eigenschaften innerhalb einer Periode. Der Vergleich mit Calcium (Ca) zeigt dagegen die Gemeinsamkeiten der Erdalkalimetalle.
Auch die Reaktionen mit Sauerstoff (O) und Wasserstoff (H) sowie die Bedeutung für die Photosynthese machen Magnesium zu einem besonders vielseitigen Element.
Weitere Informationen zur Stellung von Magnesium und zu den Eigenschaften seiner Nachbarelemente bietet unser Online-Periodensystem.

Quellen und weiterführende Literatur

• Gray, Theodore (2013): Die Elemente. Bausteine unserer Welt. Köln: Komet Verlag. ISBN 978-3-86941-000-5.

• Quadbeck-Seeger, Hans-Jürgen (2006): Die Welt der Elemente – Die Elemente der Welt. 1. Auflage. Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-31789-9. Ergänzend zur historischen Entwicklung des Atommodells.

• International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC): Periodic Table of the Elements. Angaben zu Ordnungszahl, Atommasse und Elementklassifikation.

• Royal Society of Chemistry: Periodic Table – Magnesium. Informationen zu Eigenschaften, Entdeckung und Anwendungen.

• National Institute of Standards and Technology (NIST): Atomic Spectra Database. Referenzdaten zur Atomspektroskopie.

• Deutsche Gesellschaft für Ernährung (DGE): Referenzwerte für die Magnesiumzufuhr.