Els empèdocles moderns – Joseph Black (1755) i l’element 12 (Mg) –magnesi (nilunbi, Nub)

Diu la tercera llei de Clarke que “qualsevol tecnologia prou avançada és indistingible de la màgia”. El mag, l’il•lusionista, el prestidigitador ho és, precisament, per cobrir amb aparences les relacions reals dels objectes o informacions que mou entre els dits, tot creant la il•lusió de forces que contravenen la nostra experiència quotidiana. Una de les il•lusions consisteix en fer veure que el mag és capaç d’actuar a distància sobre els objectes. En les nostres expectatives de causa-efecte, entenem que els objectes poden interactuar perquè coincideixen en el temps i en l’espai. “L’acció a distància”, en efecte, sembla cosa de màgia. La telepatia (comunicació entre ments sense contacte material aparent) i la telequinesi sovintegen entre els poders dels ens sobrehumans o divins. Es perd en la nit dels temps el coneixement de l’acció a distància d’alguns minerals sobre materials de ferro. Al 鬼谷子 (s. IV a.C.) hom parla d’una pedra “que fa que el ferro hi vingui, que l’atreu”. Entre els grecs, aquesta pedra rebia el nom de “μαγνήτις λίθος”, pedra magnètica, i, efectivament, tenia la capacitat d’atreure-hi objectes de ferro, encara que hi fossin situats a una certa distància. El nom es vincula als “magnetes”, poble ja esmentat en el famós catàleg de naus del cant segon de la Ilíada, i que dóna nom a una de les “unitats regionals” de l’actual Democràcia Hel•lènica, Magnèsia. Però no sabem si les pedres rebien aquest nom per ésser originàries de la regió o per provindre d’alguna de les colònies magnèsies fundades fora d’aquesta regió, com Magnèsia del Sipilos (a Lídia) o Magnèsia del Meandre (a Jònia). Plini, en l capítol 42 llibre 34 de la Història Natural s’hi refereix com a “magnetis lapis”, de la qual remarca “la concòrdia que té envers el ferro” i el fet que el ferro “és l’unica matèria que pot adquirir la força d’aquesta pedra de manera duradora”. El ferro magnetitzat, ens diu Plini, rebia el nom vulgar de “ferrum uium” (ferro viu) en la idea que un arma de ferro magnetitzat produïa talls “més aspres”. Un altre nom popular és del “pedra carregada” (loadstone, en anglès). A partir del segle XII ja tenim testimonis de l’ús de magnets en navegació. Les primeres brúixoles eren una agulla de ferro magnetitzada muntada de tal manera que s’orientés lliurament: si no era afectada per cap magnet assenyalava la direcció del nord astronòmic. Científics xinesos com Shen Kuo (1031-1095) o romans com Petrus Peregrinus (f. 1269) feren experiències sobre aquesta i altres aplicacions del magnetisme. William Gilbert explicà a “De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Telliure” (1660) que la base del funcionament de la brúixola és que la pròpia Terra és magnètica. L’explicació de Gilbert desterrava la vella idea d’una gran illa de magnetita en l’oceà àrtic. La relació entre els fenòmens elèctrics i magnètics, que tenien en comú l’acció a distància, fou sospitada aviat i, ja en el 1641, Athanasius Kirchner parla de “ηλεκτρο-μαγνητισμος id est sive De Magnetismo electri, seu electricis attractionibus earumque causis”. Avenços pràctics i teòrics en el camp de l’electricitat i del magnetisme permeteren introduir-hi els paràmetres de la revolució científica. Franz Aepinus a “Tentamen Theoria Electricitatis et Magnetism” (1759) proposava l’existència d’uns “fluids magnètics” que actuaven específicament sobre les “partícules de ferro”. La descoberta que un corrent elèctric pot fer moure una brúixola (Hans Christian Oersted, 1819) o que un camp magnètic en circulació tancada promou un corrent elèctric (André-Marie Ampère, 1820) posaren les bases per a una teoria electromagnètica, consolidada amb les equacions de James Clerk Maxwell, que unificaven òptica, electricitat i magnetisme. En l’horitzó quedava la voluntat de trobar una teoria unificadora d’aquesta interacció electromagnètica amb una altra interacció a distància, la gravitatòria. La noció de camp electromagnètic o de camp gravitatori explicaria l’acció a distància. Un “camp”, en aquest sentit, apareix com una quantitat física que té un valor per a cada punt de l’espai i temps. Alternativament, la noció d’interacció directa prescindeix del concepte de camp. La teoria general de la relativitat d’Einstein entén que qualsevol massa produeix una deformació de la geometria de l’espai-temps, a través de la qual exerceix una acció atractiva sobre les altres masses. L’electrodinàmica quàntica és una teoria quàntica de camp per a la interacció electromagnètica, com ho és la cromodinàmica quàntica per a la interacció nuclear. La física quàntica, però, fa trontollar les nocions vinculades al “realisme local” i a l’anomenada “teoria de les variables amagades locals”, segons les quals esdeveniments situats en diferents punts de l’espai-temps no poden influir-s’hi mútuament de manera instantània. L’anomenada “no-localitat quàntica” ens podria retornar a la tercera llei de Clarke i dir que “qualsevol teoria científica prou avançada és indistingible del mite”. Nosaltres, en tot cas, arribem a l’element 12.

Diagrama extret de “Principia Philosophiae” (1644), de René Descartes, que il•lustra el concepte de “camp magnètic terrestre”. La Terra (D) atreu diverses pedres magnètiques (I, K, L, M, N). Descartes hi representa un flux de partícules magnètiques, que circula a través dels pols (A, B) i a través de porus tant de l’interior planetari com de les pedres magnètiques. D’aquesta manera, Descartes salva el problema de l’aparent acció a distància del magnetisme. En el segle XIX, hom interpretaria l’origen del magnetisme en corrents elèctrics i en els moments magnètics de les partícules.

Joseph Black i la descoberta del magnesi

Joseph Black (*Bordèu, 16.4.1728) va nàixer al si d’una família dedicada al comerç de vins. El pare era de Belfast (Irlanda) i la mare d’un poble d’Aberdeenshire. El matrimoni tindria un total de tretze fills. Fou a Belfast on Joseph Black comença estudis formals, a 12 anys, en una “grammar school”. A 18 anys ingressà a la Universitat de Glasgow, amb la voluntat de fer estudis de medicina (1746-1750), que completà després a la Universitat d’Edinburgh (1750-1754).

Ben aviat s’interessà per la química. Els avenços de les darreres dècades havien estat possibles (i havien esperonat al mateix temps) pel perfeccionament d’estris i tècniques. El jove Black hi contribuí el 1750 amb el disseny i construcció d’una balança pensada per a les exigències de la química analítica. Aquesta “balança analítica” consistia en una plataforma lleugera equilibrada damunt d’un suport en forma de falca; en el platet de cadascun dels dos braços hom podia dipositar bé la mostra química o bé les peses (patrons de pes).

Esquema bàsic de la balança analítica de Black (a dalt) i una balança analítica ja muntada (a sota)

La difusió i perfeccionament de les balances analítiques de braços iguals jugà un paper cabdal en l’anomenada “revolució química”, de la qual Black havia de ser un dels noms destacats.

La caracterització de substàncies i reaccions a la llum dels nous coneixements era una de les tasques principals. Hom heretava el llenguatge (i els prejudicis) de la generació passada. Hem vist en la introducció, per exemple, com el nom de “pedra magnètica” es feia servir per designar els minerals que presentaven la capacitat d’atreure el ferro i de convertir peces de ferro en magnets o aimants “secundaris”. Ara bé, el nom “magnes” també es feia servir per designar un mineral sense aquesta capacitat des de l’antiguitat. Hom entenia que el primer, el que atreia al ferro, n’era la forma “masculina”, mentre que el segon, sense aquesta “força”, n’era la “femenina”.

La forma masculina del “magnes” o “pedra magnètica” es caracteritzava per atreure el ferro (a dalt), mentre que la forma femenina (a sota) tenia una aparença similar, però sense aquesta propietat

Els mateixos dubtes etimològics que teníem envers la “forma masculina”, els tenim sobre la “forma femenina”. Per acabar-ho d’adobar, la “forma femenina” o “magnèsia” designava tant una subvariant negra (“magnèsia negra”) com una altra de blanca (“magnèsia blanca”).

Aspecte de l’anomenada “magnesia alba” (o “magnèsia blanca”), pulveritzada. Considerada com una de les formes de presentació de la variant femenina de les pedres magnètiques, la química moderna esclariria la natura de la “forma masculina” (un òxid de ferro, Fe3O4, amb una orientació cristal•lina que li forneix propietats ferromagnètiques), de la magnèsia negra (òxid de manganès, MnO2) i de la magnèsia blanca (òxid de magnesi, MgO). La similitud de noms ha ocasionat de vegades algun disgust

Tant la magnèsia negra com la magnèsia alba eren emprades pels vidriers. La magnèsia negra va acabar per rebre, per corrupció, el nom de de “manganesum”, que ja fa servir Michele Mercati (1541-1593). La consolidació del nom “manganesum” (“manganesa”, “manganès” o, simplement, “mangà”) per a la “magnesia nigra” va fer que progressivament hom digués a la “magnesia blanca”, senzillament, “magnèsia”, procés facilitat alhora pel fet que el “magnés masculí” anés rebent les denominacions de “pedra carregada” (loadstone) o d’“aimant natural”.

D’acord amb les seves característiques (color blanc, poca duresa, poc pes específic) i reactivitat, eren molts els qui pensaven que la “magnesia alba” o “magnèsia” era senzillament una forma de calç viva. En el 1755, Joseph Black deixà clar que aquest no era el cas, i que la magnèsia era una substància químicament diferent a la calç viva.

En el 1757, Black ocupà la càtedra règia de “pràctica de medicina” de la Universitat de Glasgow. Ell i els seus estudiants farien importants contribucions en els anys següents. En el 1761, Black enuncià una “teoria de la calor”. Black havia comprovat que substàncies diferents presenten capacitats tèrmiques diferents, és a dir que cada substància requereix una determinada quantitat de calor per tal de pujar un determinat interval de temperatura. També va observar que la relació entre calor aplicada i temperatura no era lineal en la transició entre diferents estats o fases de la matèria. Per exemple, un tros de glaç augmenta de temperatura en relació amb la calor que s’hi aplica, però, en arribar al punt de fusió, la calor addicional no produeix un augment addicional de temperatura de la barreja de glaç i aigua líquida sinó un augment de la proporció d’aigua líquida; una vegada tot el glaç s’ha fos, l’aplicació de calor addicional ja comença a produir un augment de temperatura. El mateix va observar Black per a la transició entre l’estat líquid de l’aigua i l’estat de gas (vapor d’aigua). Black anomenà “calor latent” al calor absorbit en aquestes transicions.

Relació entre calor absorbida i augment de temperatura d’una mostra d’aigua. Dins de cada fase (glaç, líquid, gas), hi ha una relació directa, determinada per la calor específica de cadascuna d’aquestes fases. No obstant, cal una aplicació addicional de calor per aconseguir fondre el glaç en líquid o per fer bullir el líquid en gas

En certa manera, la idea de “calor latent” de Black afavoria la idea d’un caràcter material del “principi de la calor”, que altres autors anomenaven “fluid igni” i identificaven amb l’element clàssic del “foc” (“matèria de foc o de la calor”).

Les investigacions de Black sobre la calor específica del vapor d’aigua i la calor latent, relativament elevada, que calia per fer bullir l’aigua, tingueren un impacte entre els qui treballaven en el desenvolupament de màquines de vapor. En aquest sentit, Black coneixia personalment, des del 1757, a l’enginyer James Watt, que treballava a la Universitat de Glasgow en el manteniment i reparació d’instrumental científic. Black fou soci financer i assessor científic d’alguns dels projectes de Watt sobre l’energia del vapor.

Un altre contribució destacada de Joseph Black és en l’àmbit de la química pneumàtica. Black caracteritzà alguns dels gasos (“airs”) produïts per reaccions químiques. L’atac tèrmic o àcid de “pedres calcàries” generava un aire, que denominà “aire fixat”, en el sentit que el considerava fixat en el mineral. Black estudià l’aire fixat, comprovà que era més dens que l’aire atmosfèric i que no hi permetia ni la combustió ni la respiració. Si borbollava aquest aire en una solució aquosa de calç morta, podia reconstituir la pedra calcària en forma de precipitat. Arribà finalment a la conclusió que aquest aire fixat era un dels productes de la combustió, de la respiració i de la fermentació. Anys després, Lavoisier caracteritzaria aquest aire fixat com l’anhídrid de l’àcid carbònic o òxid de carboni (CO2). Black interpretà els seus resultats en química pneumàtica a la llum de la teoria del flogist i és en el marc d’aquesta teoria que fa treballar a un dels seus deixebles, Daniel Rutherford, qui va fer una anàlisi dels diferents “aires” que integren l’aire atmosfèric (1772).

En el 1766, Black havia succeït el seu antic professor, William Cullen (1710-1790), com a professor de medicina i química en la Universitat d’Edinburgh. De manera progressiva, les tasques docents s’imposaren a les de la recerca, per bé que orientà la realitzada per alguns dels seus deixebles. Arribà a adquirir un gran prestigi per les seves lliçons i contribuí a la divulgació dels nous avenços de la química. A partir del 1793, problemes de salut l’impediren seguir un ritme normal i, per això mateix, se li nomenà un auxiliar, Charles Hope. A partir del 1797 es retirà de facto de les tasques docents, i es va morir el 6 de desembre del 1799.

Per aquell moment, hom havia fet avenços en la caracterització de la magnèsia. En el llistat de “substàncies simples” del 1789, Antoine Lavoisier esmenta la magnèsia (al costat de la calç, de la barita, de l’alumini i del silici) entre les “substàncies simples salificables terroses”. Lavoisier identifica la magnèsia com “la base de la sal d’Epsom”. Dit d’una altra manera, que la “sal d’Epsom” era una “sal magnèsica”. La magnèsia era considerada un exemple de “terra alcalina”, és a dir de substància situada a mig camí entre les “terres” (silici, alumini, etc.) i els “àlcalis” (sosa, potassa, etc.)

L’anomenada “sal d’Epsom” havia estat descrita originàriament en aquesta localitat de Surrey (Anglaterra), el 1618. Un pagès havia observat com les vaques s’havien abstingut de beure l’aigua que els hi havia portat d’un nou pou. Ell mateix va comprovar que la raó d’aquest rebuig era un regust amarg. Si bé va renunciar d’abeurar-hi les vaques, va trobar que aquesta aigua servia per guarir ferides i coïssors. Si hom deixava evaporar l’aigua, hi quedava un precipitat blanc que aviat guanyaria fama per aquestes propietats guaridores amb el nom de “sal d’Epsom”.

Sal d’Epsom o epsomita (MgSO4•7H2O)

En el 1808, Humphry Davy, en el decurs dels seus experiments electrolítics, analitzà la natura de la magnèsia. Com que l’electrolisi de la magnèsia pura no fou possible, va amalgamar magnèsia amb òxid mercúric. L’electrolisi d’aquesta amalgama li permeté aïllar un metall (Davy, 1808). Davy designà el metall com a magni (“magnium”), la qual cosa suposava reconèixer en la magnèsia no l’element que havia descrit Lavoisier, sinó un compost, concretament un òxid de magnesi. D’altra banda, el mot “magnèsia” passà a emprar-se de manera més genèrica per a tota sal de magnesi, començant per la sal d’Epsom.

Humphry Davy

La proposta inicial de Davy de denominar la substància simple o element característica de la magnèsia com a “magni” no prosperà. Per analogia amb sodi-sosa, potassi-potassa, calci-calç, s’imposà la forma “magnesi”. Aquest és el nom que recull, per exemple, John Dalton al “New System of Chemical Philosophy”. El magnesi, en el llistat del Dalton, apareix simbolitzat amb un estel de vuit puntes ().

Jöns Jacob Berzelius proposa en el 1814 l’ús exclusiu de sigles com a símbols dels “cada substància elemental”. Com que la “M” és destinada al radical muriàtic (que Davy havia denominat clor) i la “Ma” al manganès, per al magnesi, Berzelius diposa “Ms”. Aquest esquema patirà després canvis, i el símbol Ma serà substituït per l’Mn, en el cas del manganès, mentre que el símbol Ms és substituït pel símbol Mg, que és el símbol acceptat actualment per al magnesi. L’estudi del magnesi rep, en tot cas, un impuls el 1831 quan Antòni Bussy (1794-1882) presenta un mètode per obtindre cristall coherent de magnesi elemental.

Les sals de magnesi i, particularment, el carbonat de magnesi (MgCO3) són emprades, per la seva higroscopicitat, pels gimnastes, per tal que la suor no els jugui una mala passada en els aparells. Aquest ús icònic de la magnèsia s’ha associat, doncs, a aquest esport, com mostra la imatge oficial de la Copa Suïssa de Gimnàstica de Zúric 2010. Encara que el mot magnèsia es fa servir genèricament per a qualsevol sal de magnesi (carbonat, sulfat, etc.), també pot designar el producte de la calcinació d’aquestes sals, l’òxid de magnesi (MgO).

La caracterització del beril•li, magnesi, calci, estronci i bari com a metalls alcalino-terris ajudà a postular propostes de periodicitat en els elements. John Newlands, en el 1865, considera el magnesi com el segon element del grup del glucini (=beril•li). Mendeleev, en la taula periòdica del 1869, col•loca en el mateix grup el beril•li, el magnesi, el zinc i el cadmi, separats tots ells dels grup dels alcalino-terris pròpiament dits (on col•loca el calci, l’estronci, el bari i el plom). En el 1871, Mendeleev ja presenta tots dos grups combinats (beril•li, magnesi, calci, zinc, estronci, cadmi i bari). Serà en formulacions posteriors que Mendeleev restringirà aquest grup al beril•li, magnesi, calci, estronci i bari.

El magnesi: isòtops i abundància

La massa atòmica estàndard del magnesi (Mg) és de 24,305 uma, valor que resulta que la mitjana ponderada dels seus tres isòtops estables. La llista d’isòtops coneguts és més àmplia:
– magnesi-19 (19Mg; 19,03547 uma). Nucli format per 12 protons i 7 neutrons. És un isòtop molt inestable.
– magnesi-20 (20Mg; 20,018863 uma). Nucli format per 12 protons i 8 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,0908 s. Decau normalment (97%) a sodi-20 (amb emissió d’un positró) o, alternativament (3%), a neó-19 (amb emissió d’un protó i d’un positró).
– magnesi-21 (21Mg; 21,011713 uma). Nucli format per 12 protons i 9 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,122 s. Decau majoritàriament (66,9%) a sodi-21 (amb emissió d’un positró) o, alternativament a neó-20 (32,6%, amb emissió d’un protó i d’un positró) o a fluor-16 (0,5%, amb emissió d’un nucli de 4He i d’un positró).
– magnesi-22 (22Mg; 21,9995738 uma). Nucli format per 12 protons i 10 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 3,8755 s. Decau a sodi-22, amb emissió d’un positró.
– magnesi-23 (23Mg; 22,9941237 uma). Nucli format per 12 protons i 11 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 11,317 s. Decau a sodi-23, amb emissió d’un positró.
– magnesi-24 (24Mg; 23,9850417 uma). Nucli format per 12 protons i 12 neutrons. És un isòtop estable. El 78,99% dels àtoms de magnesi són de 24Mg, percentatge que, segons la mostra, pot variar del 78,958% al 79,017%.
– magnesi-25 (25Mg; 24,98583692 uma). Nucli format per 12 protons i 13 neutrons. És un isòtop estable. L’abundància relativa és del 10,00%, amb una variabilitat mostral entre 9,9996% a 10,012%.
– magnesi-26 (26Mg; 25,982592929 uma). Nucli format per 12 protons i 14 neutrons. És un isòtop estable. L’abundància relativa és de 11,01%. Segons les mostres pot variar entre 10,987% a 11,030%. L’enriquiment relatiu d’una mostra en 26Mg pot ser el resultat de l’isòtop radiactiu 26Al, que té una semivida de 717.000 anys. Per exemple, les inclusions riques en calci-alumini d’alguns meteorits carbonacis poden presentar enriquiments relatius de 26Mg si es van formar en els moments inicials del Sistema Solar, quan els nivells de 26Al eren encara prou elevats com per donar lloc a 26Mg en aquestes formacions. Així la relació 26Mg/24Mg, respecte la de 27Al/24Mg, en aquestes formacions és indicativa d’un origen primerenc.
– magnesi-27 (27Mg; 26,98434059 uma). Nucli format per 12 protons i 15 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 567,5 s (9 minuts i 27 segons). Decau a alumini-27, amb emissió d’un electró.
– magnesi-28 (28Mg; 27,9838768 uma). Nucli format per 12 protons i 16 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 75294 segons (gairebé 21 hores). Decau a alumini-28, amb emissió d’un electró. Subproducte de centrals nuclears, fou comercialitzat entre els anys 1950 i 1970 per a investigacions científiques.
– magnesi-29 (29Mg; 28,9886 uma). Nucli format per 12 protons i 17 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,30 s. Decau a alumini-29, amb emissió d’un electró.
– magnesi-30 (30Mg; 29,990434 uma). Nucli format per 12 protons i 18 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,335 s. Decau normalment (99,94%) a alumini-30 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (0,06%) a alumini-29 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– magnesi-31 (31Mg; 30,996546 uma). Nucli format per 12 protons i 19 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,230 s. Decau normalment (98,3%) a alumini-31 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (1,7%) a alumini-30 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– magnesi-32 (32Mg; 31,998975 uma). Nucli format per 12 protons i 20 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,086 s. Decau normalment (97,6%) a alumini-32 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (2,4%) a alumini-31 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– magnesi-33 (33Mg; 33,005254 uma). Nucli format per 12 protons i 21 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,0905 s. Decau majoritàriament (83%) a alumini-33 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (17%) a alumini-32 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– magnesi-34 (34Mg; 34,00946 uma). Nucli format per 12 protons i 22 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,020 s. Decau normalment (>99,9%) a alumini-34 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (<0,1%) a alumini-33 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– magnesi-35 (35Mg; 35,01734 uma). Nucli format per 12 protons i 23 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,070 s. Decau bé a alumini-34 (52%, amb emissió d’un neutró i d’un electró) o a alumini-35 (48%, amb emissió d’un electró).
– magnesi-36 (36Mg; 36,02300 uma). Nucli format per 12 protons i 24 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,0039 s. Decau a alumini-36 amb emissió d’un electró.
– magnesi-37 (37Mg; 37,03140 uma). Nucli format per 12 protons i 25 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de vora 0,04 s. Decau bé a alumini-37 (amb emissió d’un electró) o a alumini-36 (amb emissió d’un neutró i un electró).
– magnesi-38 (38Mg; 38,03757 uma). Nucli format per 12 protons i 26 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,001 s.
– magnesi-39 (39Mg; 39,04677 uma). Nucli format per 12 protons i 27 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de l’ordre de 10-7 s.
– magnesi-40 (40Mg; 40,05393 uma). Nucli format per 12 protons i 28 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de l’ordre de 10-7 s.

L’àtom neutre de magnesi conté 12 electrons, amb configuració basal de 1s22s22p63s2. És l’element del tercer període per al grup dels metalls alcalinoterris (grup 2 o IIA). L’estat d’oxidació més habitual és +2 (Mg2+) encara que també pot presentar el de +1 (Mg+). Presenta un radi de Van der Waals de 1,73•10-10 m.

En condicions estàndards de pressió i de temperatura, el magnesi es presenta com un sòlid d’aspecte argentí, amb una densitat de 1738 kg•m-3 i una duresa de 2,5 en l’escala de Mohs.

El magnesi elemental forma una estructura cristal•lina hexagonal compacta. En contacte amb l’aire, té lloc una ràpida oxidació superficial, però per sota de la capa d’òxid de magnesi resultant, el metall manté les seves característiques.

El magnesi metàl•lic es fon, a una pressió estàndard, a 923 K. El magnesi elemental líquid presenta, en el punt de fusió, una densitat de 1584 kg•m-3. A pressió estàndard, el punt d’ebullició se situa a 1363 K.

Prototip del Magnesium Injection Cycle (MAGIC), de Mitsubishi. El motor d’injecció de magnesi aprofita la reactivitat del magnesi metàl•lic en pols amb l’aigua (Mg + H2O -> MgO + H2). L’energia alliberada en forma de vapor d’aigua i d’hidrogen és transformada en treball mecànic.

El magnesi és emprat en alguns aliatges metàl•lics. El magnali, per exemple, pot presentar un contingut de magnesi del 5% al 50%, incorporant-hi quantitats variables d’alumini i, en menor grau, de coure, níquel o estany. La menor densitat i relativa duresa del magnesi metàl•lic respecte de l’alumini, fa que els aliatges de magnesi rebin un interès creixent. La termosensibilitat, inflamabilitat i oxidabilitat dels aliatges de magnesi limiten, però, el seu ús.

Un esquiador nàutic portant dues llums de magnesi (juliol del 1931). El magnesi metàl•lic, particularment en pols o en tires fines, és molt inflamable, fins el punt de poder cremar en una atmosfera de nitrogen (formant Mg3N2) o en una de CO2 (formant MgO i carbó). Els primers fotògrafs solien emprar pols de magnesi per preparar la pólvora flaix amb la qual captar imatges d’estudi. Durant la Segona Guerra Mundial seria emprat en bombes incendiàries. Per tal de sufocar els incendis amb bombes de magnesi cal recórrer a la sorra seca

Les sals i altres compostos de magnesi es presenten habitualment en condicions estàndards com a cristalls blancs. Solen ser ben solubles en aigua. Al tast, com hem vist en parlar de les sals d’Epsom, resulten amargues, propietat associada al Mg2+. Encara avui, els preparats comercials de sulfat de magnesi es comercialitzen en alguns països com a “sal d’Epsom”.

Patentada per Charles Henry Phillips en el 1873, la llet de magnèsia, consistent en una suspensió aquosa de Mg(OH)2 al 8%, és emprada com a antiàcid i laxant en trastorns digestius. La relativa indissolubilitat en aigua del Mg(OH)2, vinculada a la reactivitat del Mg, explica que es comporti com un àlcali feble (de dissociació incompleta)

Segons les estimacions més habituals, el magnesi és el novè element més abundant de l’univers (després de l’hidrogen, l’heli, l’oxigen, el carboni, el neó, el ferro, el nitrogen i el silici). Es produeix fonamentalment en estels de masses superiors a 6•1030 kg, a temperatures de més de 6•108 K, particularment en les fases de pre-supernova, com a resultat de la fusió de nuclis d’heli i de neó. Així l’abundància relativa dels nuclis estables de 20Ne, 21Ne i 22Ne, es tradueix aproximadament en la de 24Mg, 25Mg i 26Mg (l’acreció d’aquests nuclis parteix del 12C, 13C i 14C, emprant com a base els nuclis de 4He). L’alta reactivitat del magnesi elemental condiciona la seva distribució en l’univers. Els ions Mg2+ formen compostos especialment amb l’oxigen i l’hidrogen (MgO, Mg(OH)2).

De la matèria bariònica de la Via Làctia, el magnesi suposa, en termes de massa, 580 ppm. És el metall alcalinoterri més abundant.

En el Sistema Solar, el silici és, en termes atòmics, el vuitè element més abundant (el superen hidrogen, heli, oxigen, carboni, nitrogen i neó). Supera doncs cinc dels elements més lleugers (sodi, fluor, liti, bor i beril•li). Dels elements més pesants, el silici i el ferro són els únics que assoleixen una abundància atòmica comparable. Tot plegat lliga amb les dues tendències generals d’abundància atòmica dels elements: decréixer a mesura que augmenta el nombre atòmic Z i augments d’abundància relativa per als elements amb Z de nombre parell (Z = 2n). Pel que fa als seus isòtops, en el Sistema Solar, el 24Mg presenta una abundància atòmica de 28 ppm (corresponent a una abundància màssica de 513 ppm), el 26Mg una abundància atòmica de 4 ppm (79 ppm en termes de massa) i el 25Mg una abundància atòmica de 4 ppm (69 ppm en termes de massa).

El magnesi experimenta un enriquiment relatiu en els planetes rocallosos. En el cas de la Terra, l’abundància global de magnesi és del 13,9% (corresponent a una massa total de magnesi de 8,31•1023 kg), la qual cosa el fa en termes de massa el quart element més abundant del nostre planeta (tan sols el superen el ferro, l’oxigen i el silici). El 16,4% dels àtoms de la Terra són àtoms de magnesi, la qual cosa el converteix, en termes atòmics, en el segon element químic més abundant (tan sols superat per l’oxigen).

En l’escorça terrestre, el magnesi no assoleix valors tan elevats d’abundància. En termes de massa, el magnesi suposa el 2,09% (la qual cosa el porta a ésser el vuitè element més abundant, superat per l’oxigen, el silici, l’alumini, el ferro, el calci, el sodi i el potassi). En termes atòmics, és el menys abundant dels principals elements formadors de roca (categoria en la que entren oxigen, silici, alumini, sodi, ferro, calci i potassi). El magnesi és molt més abundant en el mantell i nucli terrestres.

Dins de l’escorça terrestre, l’abundància del magnesi no és homogènia. Eduard Suess (1831-1914) remarcà el contrast entre la composició de la capa superior de l’escorça (particularment, de l’escorça continental) i la capa inferior (l’escorça oceànica). Suess es referia a la primera com a sial (per l’abundància relativa de silicats d’alumini) i a la segona com a sima (per l’abundància relativa de silicats de magnesi). En general, la densitat de la sima (2800-3300 kg•m-3) és superior a la del sial (2700-2800 kg•m-3

El magnesi és present en més de 60 minerals. La producció anual de magnesi és d’unes 750.000 tones anuals, el 80% de la qual té lloc a la Xina, bàsicament a través del procés ideat per Lloyd Montgomery Pidgeon (1903-1999), que redueix l’òxid de magnesi a magnesi a altes temperatures (1100-1700 K) emprant el silici com a agent reductor. Per a aquest ús comercial, els minerals de magnesi més emprats són la dolomita [CaMg(CO3)2], la magnesita (MgCO3), la brucita [Mg(OH)2], la carnal•lita [KMgCl3•6(H2O], l’esteatita [Mg3Si4O10(OH)2] i l’olivina [(Mg Fe)2SiO4].

Mostra d’olivina de l’escorça lunar, recollida pels cosmonautes de l’Apol•lo 15. D’acord amb els processos de diferenciació interna, les escorces dels planetes rocallosos poden presentar una quantitat més o menys elevada de minerals rics en magnesi

El magnesi és el cinquè element més abundant dels oceans de la Terra, amb una proporció, en termes de massa, del 0,1292% (superada tan sols per l’oxigen, l’hidrogen, el clor i el sodi). La dissolubilitat dels ions Mg2+ en l’aigua afavoreix que la seva abundància sigui major en la hidrosfera que no pas en la litosfera. En les aigües continentals, el Mg2+ és un dels ions majoritaris i contribueix al seu sabor. L’aigua marina, la salmorra i certes aigües minerals són explotades en l’obtenció de magnesi, principalment a través de l’electròlisi del MgCl.

Obtingut bé de fonts litosfèriques (com a la Xina) o hidrosfèriques (com als Estats Units), el magnesi és el tercer metall (després del ferro i l’alumini) més emprat en estructures. Se’l fa servir sobretot en aliatges amb alumini. Altres usos destacats són la confecció de motllos per a metall fos (fets d’aliatge de magnesi, alumini i d’altres metalls com el zinc, el coure, el plom, etc.) i processos metal•lúrgics (la remoció de sofre en la producció de ferro i acer, el procés de Kroll de producció de titani, etc.). Després d’unes dècades d’intentar reduir-ne l’ús dels aliatges de magnesi per la seva inflamabilitat, hi ha una demanda creixent.

L’òxid de magnesi i d’altres compostos de magnesi són emprats des de fa segles en la producció del vidre i, de manera creixent, en la indústria química (purificació de solvents, producció d’alcohols), paperera (MgSO3), construcció (fosfats de magnesi com a ignífugs en construccions de fusta), tèxtil (l’hexafluorosilicat de magnesi protegeix contra l’atac d’arnes), etc.

La presència de magnesi en l’atmosfera terrestre es redueix a traces. En atmosferes rarificades, com les que trobem a Mercuri o a la Lluna, pot detectar-s’hi amb més facilitat.

Estructura química de la clorofil•la a, el principal pigment fotosintètic de la biosfera. Richard Willstätter (1872-1942) determinà el caràcter estructural de l’ió magnesi en la clorofil•la, la primera vegada que aquest element era associat a una funció biològica.

El magnesi és comptat entre els macroelements biològics (juntament amb el carboni, hidrogen, oxigen, nitrogen, fòsfor, sofre, clor, sodi, potassi i calci). Hom el troba sobretot en forma iònica (Mg2+) en els fluids biològics, i és un nutrient mineral essencial per a totes les formes de vida conegudes. Això es deu sobretot a la interacció de Mg2+ amb els grups fosfats de les biomolècules, la qual cosa els fa essencials en la química dels àcids nucleics. La seva interacció amb el nucleòtid ATP, una de les principals molècules de transferència energètica de la cèl•lula viva, fa que el Mg2+ sigui un cofactor obligat per a una gran diversitat d’enzims. En el cas dels organismes fotosintètics, hi ha un requeriment nutricional afegit de magnesi, degut a que l’ió Mg2+ forma part del grup prostètic de les clorofil•les. Les sals d’Epsom continuen a emprar-se com a remei d’elecció en casos de deficiència de magnesi en vegetals, deficiència que es manifesta en la grogor de les fulles, començant per les més velles i les zones creuades per les grans venes foliars.

En el cos humà, el magnesi és present, en termes atòmics, en 70 ppm, que es tradueixen a 500 ppm en termes de massa. Un individu adult de 70 kg, conté típicament 24 grams, dels quals un 60% es troben en l’esquelet (on té un paper subsidiari respecte del calci), un 39% en el fluid intracel•lular (on realitza la funció bàsica de quelació d’ATP i d’altres nucleòtids) i un 1% en fluids extracel•lulars (la concentració sèrica típica és de 0,7-1 mM). La rellevància del magnesi en el metabolisme energètic queda de manifest si tenim present que la meitat del magnesi intracel•lular del cos humà adult es troba associat a la musculatura estriada esquelètica. El Mg2+ és, doncs, com el K+ un electròlit preferencialment intracel•lular, en contraposició al Ca2+ i el Na+, que són extracel•lulars.

El magnesi en la dieta

El Mg2+ és el segon catió més abundant del fluid intracel•lular després del K+. La seva associació amb l’ATP el fa crucial en tots aquells processos biològics que consumeixen energia i, particularment, en l’exercici muscular i en la transmissió nerviosa.

No tots els tipus cel•lulars presenten la mateixa concentració de Mg2+. Com hem vist, els valors més elevats es troben en les fibres musculars esquelètiques (15 mM) mentre d’altres tipus cel•lulars tenen una concentració més limitada (2,5 mM). En qualsevol cas, hi ha una concentració intracel•lular diferencial de Mg2+, ja que els valors extracel•lulars són de 0,7-1,1 mM. En el plasma sanguini, 2/3 de Mg2+ viatgen de manera dissolta, mentre que 1/3 ho fa associat proteïnes plasmàtiques.

L’esquelet actua com un veritable reservori de Mg2+. Encara que la major part es troba associat al component mineral de l’os, un 30% es troba en forma iònica bescanviable.

L’homeostasi del Mg2+ és finament regulada, i es relaciona antagònicament amb la del Ca2+ i associativament amb la del K+. Això explica que tan la deficiència com l’excés de magnesi en la dieta pugui ser compensada. En les nostres dietes, la ingesta diària de magnesi se situa típicament entre 10 i 20 mmols. D’aquesta ingesta, tan sols 1/3 és absorbit per l’organisme (principalment en la porció superior de l’intestí prim, mitjançant un mecanisme de transport actiu). En el cas que la ingesta sigui menor, l’absorció intestinal de magnesi pot fer-se més eficient i, en cas contrari, l’eficiència encara pot disminuir més. En l’homeostasi del magnesi també participa el ronyó, d’acord amb el nivell de reabsorció dels tubs proximals de la nefrona a partir del filtrat inicial.

Imatge promocional del Servei de Recerca Agrícola del Departament d’Agricultura dels Estats Units sobre aliments rics en magnesi. Recerques com la de Lukaski & Nielsen (2002) han volgut contribuir a una major conscienciació d’una bona aportació de magnesi en la dieta

Diversos estudis nutricionals han remarcat que una porció tan alta de la població com 2/3 no arribarien a la ingesta recomanada de magnesi en la dieta (11-12 mmols diaris). La hipomagnesèmia, definida com uns valors sèrics o plasmàtics inferiors a 0,7 mM, és molt poc freqüent, en part perquè dietes molt hipomagnèsies poden ser compensades a través d’una major eficiència d’absorció intestinal de magnesi o per un reordenament dels reservoris tissulars de magnesi. D’altra banda, la hipomagnesèmia pot tindre lloc, no per una hipomagnèsia de la dieta, sinó per altres factors (diarrees i malabsorcions intestinals, pertorbacions metabòlics associades a l’alcoholisme o a l’estrès, o un tractament diürètic).

Sense arribar a la hipomagnesèmia clínica, hom ha vinculat nivells corporals de magnesi baixos amb tota una sèrie de patologies: depressió endògena, asma, diabetis, osteoporosi, etc. Alhora, hom ha vinculat la suplementació dietària de magnesi amb un efecte preventiu contra malalties cerebro- i cardio-vasculars, però també pal•liatiu contra diverses formes de dolor crònica (fibromiàlgia, migranyes).

Una dieta que inclogui aliments com els de la imatge de dalt hauria de ser suficient per garantir una bona aportació de magnesi. Les verdures com els espinacs o les bledes aporten magnesi per la seva quantitat relativa de clorofil•la. La suplementació amb MgO o amb citrat de magnesi (C6H6MgO7) pot no ser tan eficaç com sembla i és contraindicada en alguns casos. Un excés d’ingesta de Mg2+, per exemple, pot interferir en l’absorció de Ca2+; alhora pot obligar a fer un treball extra al ronyó, la qual cosa explica la contraindicació de la suplementació injustificada en persones amb problemes renals o cardíacs). La sobredosi de magnesi s’associa sobretot a un excés de consum d’alguns dels medicaments rics en magnesi que hem vist (la llet de magnèsia, les sals d’Epsom). Si els nivells tissulars baixos de magnesi s’associen a algunes malalties, també els nivells alts han estat relacionats amb altres malalties, com l’esquizofrènia.

Arxivat a Ciència i Tecnologia
2 comments on “Els empèdocles moderns – Joseph Black (1755) i l’element 12 (Mg) –magnesi (nilunbi, Nub)
  1. […] ens vam ocupar en parlar del magnesi dels atzar terminològics dels magnets, de la magnèsia blanca i de la magnèsia negra. L’ús […]

  2. […] sèrie nostra té a veure amb el món de les ciències naturals i de la química en particular. En el seu moment ja vam parlar de Joseph Black (1728-1799), però també podem recordar la figura de William Cullen […]

Els comentaris estan tancats.

%d bloggers like this: