最終更新日：2025年12月1日

マグネシウム (Z=12)：優れた特性を持つ軽金属

マグネシウムの発見の歴史

マグネシウムの名前は、ギリシャのマグネシア地方に由来します。この地域では、白色の鉱物であるマグネシア（酸化マグネシウム）が豊富に産出されていました。 1755年、ジョゼフ・ブラック（1728-1799）は、マグネシアが石灰と異なる物質であることを認識しました。 1808年、ハンフリー・デイビー（1778-1829）は、酸化マグネシウムと酸化水銀の混合物を電気分解することで、金属マグネシウムを単離することに成功しました。しかし、アントワーヌ・ビュシー（1794-1882）が1831年、塩化マグネシウムをカリウムで還元することで、純粋な金属マグネシウムを生産しました。

構造と基本的な性質

マグネシウム（記号Mg、原子番号12）は、周期表の第2族に位置するアルカリ土類金属です。その原子は、12個の陽子、12個の電子、および最も豊富な同位体（\(\,^{24}\mathrm{Mg}\)）では通常12個の中性子を持っています。他の安定同位体には、マグネシウム-25（\(\,^{25}\mathrm{Mg}\)）とマグネシウム-26（\(\,^{26}\mathrm{Mg}\)）があります。
室温では、マグネシウムは固体で、銀白色の軽金属（密度≈1.738 g/cm³）、展性があり、熱と電気の良導体です。マグネシウムの融点：923 K（650 °C）。沸点：1,363 K（1,090 °C）。マグネシウムは空気に触れると容易に酸化し、酸化マグネシウムの薄い保護層を形成します。

マグネシウムの同位体表

マグネシウムの同位体（主要な物理的性質）
同位体 / 記号	陽子 (Z)	中性子 (N)	原子質量 (u)	天然存在比	半減期 / 安定性	崩壊 / 備考
マグネシウム-24 — \(\,^{24}\mathrm{Mg}\,\)	12	12	23.985042 u	≈ 78.99 %	安定	天然マグネシウムで最も豊富な同位体。
マグネシウム-25 — \(\,^{25}\mathrm{Mg}\)	12	13	24.985837 u	≈ 10.00 %	安定	2番目に安定な同位体；同位体研究に使用されます。
マグネシウム-26 — \(\,^{26}\mathrm{Mg}\)	12	14	25.982593 u	≈ 11.01 %	安定	3番目に安定な同位体；アルミニウム-26の崩壊生成物。
マグネシウム-28 — \(\,^{28}\mathrm{Mg}\)	12	16	27.983877 u	非天然	20.915 時間	β\(^-\)崩壊によりアルミニウム-28に変化。核研究に使用されます。
その他の同位体 — \(\,^{20}\mathrm{Mg}\) から \(\,^{40}\mathrm{Mg}\)	12	8 — 28	— (可変)	非天然	ミリ秒から数分	人工的に生成された不安定同位体；核物理学で使用されます。

マグネシウムの電子配置と電子殻

N.B. :
電子殻: 電子が原子核のまわりに配置されるしくみ.

マグネシウムは12個の電子を持ち、これらは3つの電子殻に分布しています。マグネシウムの完全な電子配置は1s² 2s² 2p⁶ 3s²、または簡略化すると[Ne] 3s²です。この配置はK(2) L(8) M(2)とも表記されます。

電子殻の詳細構造

K殻 (n=1): 1s軌道に2個の電子を含みます。この内側の殻は完全で非常に安定しています。
L殻 (n=2): 2s² 2p⁶として8個の電子が分布しています。この殻も完全で、貴ガス（ネオン）の配置を形成します。
M殻 (n=3): 3s軌道に2個の電子を含みます。3p軌道と3d軌道は空のままです。これらの2個の価電子は化学反応で比較的容易に失われます。

価電子と酸化状態

外殻（3s²）の2個の電子はマグネシウムの価電子です。この配置はマグネシウムの化学的性質を説明します：
2個の3s電子を失うことで、マグネシウムはMg²⁺イオン（酸化状態+2）を形成し、これはマグネシウムのすべての化合物における唯一かつ系統的な酸化状態です。
Mg²⁺イオンはネオン[Ne]と同じ電子配置を採用し、このイオンに大きな安定性を与えます。
マグネシウムは他の安定した酸化状態を示しません。化学では+2の状態のみが観察されます。

マグネシウムの電子配置は、価電子殻に2個の3s電子を含み、周期表の第2族（アルカリ土類金属）に分類されます。この構造は、マグネシウムに特徴的な性質を与えます：重要な化学反応性（空気中で酸化し、特に熱い状態で水と反応します）、酸化状態+2のイオン化合物の排他的な形成、および結晶構造における金属結合の形成能力。マグネシウムは空気中で自然に酸化マグネシウム（MgO）の薄い層を形成し、さらなる酸化を遅らせますが、この保護はアルミニウムほど効果的ではありません。価電子を失う傾向は、マグネシウムを優れた還元剤にします。その重要性は生物学および産業の両面で非常に大きいです：マグネシウムは生細胞の機能（酵素の補因子、DNAとRNAの安定化、植物の葉緑素）に不可欠です。産業では、軽量で高強度の合金（特にアルミニウムとの合金）の製造（航空宇宙および自動車産業向け）、金属製錬における還元剤、および強烈な燃焼で明るい白色光を発する花火の製造に使用されます。

化学的反応性

マグネシウムは中程度の反応性を持つ金属です。酸素の存在下で激しく白色の炎を上げて燃焼し、酸化マグネシウム（MgO）を生成します。冷水とはゆっくり反応しますが、熱水や蒸気とは激しく反応し、水素（H₂）を放出します。マグネシウムは非金属とイオン化合物を形成し、多くの化学反応で還元剤として作用します。主な化合物には、塩化マグネシウム（MgCl₂）、硫酸マグネシウム（MgSO₄）、炭酸マグネシウム（MgCO₃）、水酸化マグネシウム（Mg(OH)₂）があります。

マグネシウムの産業および技術的応用

航空宇宙、自動車、電子機器（ノートパソコン、スマートフォン）用の軽量合金；
鋼鉄および鋳鉄の製錬における脱酸剤および脱硫剤；
明るい燃焼を利用した花火や遭難信号；
化学還元によるチタンやその他の金属の製造；
金属構造物の腐食防止のための犠牲アノード；
高温に耐える耐火セメントの製造；
伝統的な写真術における強力な光源（マグネシウムフラッシュ）；
グリニャール試薬を用いた有機化合物の合成；
食品添加物および医薬品（クエン酸、酸化物、硫酸マグネシウム）；
軽量で難燃性の建材；
軽量かつ強度が必要な工具や機械部品の製造；
農業におけるマグネシウム不足土壌の改良と植物の成長促進；
リチウムイオン電池の代替となるマグネシウム充電池；
新興エネルギー技術における水素貯蔵材料。

必須の生物学的役割

マグネシウムは、人間の体内で4番目に豊富なカチオンであり、300以上の酵素反応に重要な役割を果たします。タンパク質の合成、神経伝達、筋肉収縮、血糖値の調節、エネルギー生産（ATP）に関与しています。植物では、マグネシウムは光合成に不可欠なクロロフィル分子の中心です。マグネシウム不足は、疲労、筋肉の痙攣、心臓障害、植物の葉の黄変（クロロシー）を引き起こす可能性があります。

存在量と天然の源

マグネシウムは地殻中で8番目に豊富な元素（質量比約2.3%）であり、海水中で3番目に豊富な溶存元素です。主にドロマイト（CaMg(CO₃)₂）、マグネサイト（MgCO₃）、カーナライト（KMgCl₃·6H₂O）、かんらん石（(Mg,Fe)₂SiO₄）などの鉱物中に存在します。工業的な抽出は、主に溶融塩化マグネシウムの電気分解または酸化マグネシウムの熱還元によって行われます。

天体物理学における役割

マグネシウムは、大質量星における酸素と炭素の融合によって合成されます。超新星爆発時にマグネシウムは星間物質中に散布され、次の世代の星や惑星の化学的進化に貢献します。宇宙における相対的な存在量と隕石中の存在は、銀河の化学進化の重要なトレーサーとなっています。天文学者は、遠方の星や銀河の組成を研究するために、マグネシウムのスペクトル線を使用します。

注意：
金属マグネシウムは塊状では着火しにくいですが、一度着火すると非常に激しく燃焼し、水ではほとんど消火できません。高温では、マグネシウムは水と反応してH₂O分子から酸素を奪い、燃焼をさらに促進します。この性質により、マグネシウムは火災時に危険な材料となり、消火には特殊な砂や粉末が必要です。