Le magnésium est l'élément chimique de numéro atomique 12, de symbole Mg.

Le magnésium est un métal alcalino-terreux. Le magnésium est le neuvième élément le plus abondant de l'univers^[7]. Il est produit dans de grandes étoiles vieillissantes de l'addition séquentielle de trois noyaux d'hélium à un noyau carboné^[8]. Lorsque de telles étoiles explosent en tant que supernovas, une grande partie du magnésium est expulsé dans le milieu interstellaire où il peut se recycler dans de nouveaux systèmes étoiles. Le magnésium est le huitième élément le plus abondant de la croûte terrestre^[9] et le quatrième élément le plus commun de la Terre (après le fer, l'oxygène et le silicium), constituant 13 % de la masse de la planète et une grande partie du manteau de la planète. C'est le troisième élément le plus abondant dissous dans l'eau de mer, après le sodium et le chlore^[10].

Les atomes de magnésium existent dans la nature uniquement sous forme de combinaisons avec d'autres éléments, où il présente invariablement un état d'oxydation +2. L'élément pur est produit artificiellement par réduction ou électrolyse. Il est hautement réactif en poudre et en copeaux mais, l'atmosphère terrestre, il se revêt rapidement d'une mince couche d'oxyde étanche réduisant sa réactivité (passivation par oxydation). Le métal pur brûle aisément sous certaines conditions (en produisant une lumière brillante, blanche, éblouissante caractéristique). En mécanique il est utilisé principalement comme composant dans les alliages d'aluminium-magnésium (parfois appelés magnalium). Le magnésium est moins dense que l' aluminium et l'alliage est apprécié pour sa légèreté et sa résistance plus grande (mécanique et chimique).

Le magnésium est le onzième élément le plus abondant en masse dans le corps humain. Il est essentiel à toutes les cellules et à quelque 300 enzymes. Les ions magnésium interagissent avec des composés polyphosphates tels que l'ATP , l'ADN et l'ARN. Les composés de magnésium sont utilisés de manière médicale en tant que laxatifs, antiacides (par exemple, lait de magnésie) et pour stabiliser l'excitation anormale des nerfs ou le spasme des vaisseaux sanguins dans des conditions telles que l'éclampsie^[11].

Histoire

Le nom magnésium provient du nom grec d'un district de Thessalie appelé Magnesia. Cette région était extrêmement riche en magnésium, et ce sous différentes formes.

En Angleterre, Joseph Black reconnut le magnésium comme un élément en 1755^[12], et Sir Humphry Davy isola la forme métallique pure par électrolyse en 1808 à partir d'un mélange de magnésie MgO et d'oxyde de mercure HgO.

Isotopes

Le magnésium possède 22 isotopes connus, avec un nombre de masse variant entre 19 et 40. Trois d'entre eux sont stables, ²⁴Mg, ²⁵Mg, et ²⁶Mg, et présents dans la nature dans les proportions 80/10/10, approximativement. On attribue au magnésium une masse atomique standard de 24,3050 u. Parmi les 19 radioisotopes connus du magnésium, ²⁸Mg a la durée de vie la plus longue avec une demi-vie de 20,915 heures, suivi de ²⁷Mg avec une demi-vie de 9,458 min. Tous les autres isotopes ont une demi-vie inférieure à une minute, et la plupart d'entre eux inférieure à une seconde.

Usages

Sa production et son recyclage sont par contre difficiles, énergivores et polluants (voir Gisement et production du métal)^[13]. Il entraînerait également des gains environnementaux importants dans le domaine de l’aviation^[14].

C'est un métal utilisé en mécanique pour sa légèreté.

C’est aussi un réactif important en chimie, surtout employé dans les procédés de désulfuration, lors de la fabrication des aciers, la purification des métaux (débismuthage) ou la réaction chimique de Grignard. Il est inflammable et servait comme combustible dans les flashs photographiques. C’est un agent chimique essentiel à la vie, notamment lors de la photosynthèse, dans les os et dans une multitude de processus biologiques. Ses sels ont de multiples applications (lait de magnésie Mg(OH)₂, carbonate de magnésium, MgO, MgCl₂)

Mécanique

Il sert également à fabriquer une multitude d’objets autant laminé, usiné, moulé. Dans la grande consommation spécialisée (carrosserie, petites mallettes résistantes, boîtiers d'ordinateurs portables, matériels photographiques haut de gamme, pièces de vélo, etc.) car c’est un des métaux les plus faciles à usiner d’autant que certains alliages sont recyclables par laminage^[15].

Le magnésium est aussi employé en alliage, notamment avec l’aluminium (série 3000, 4000, 5000 et 6000) mais aussi avec le zinc, le zirconium, le thorium et plusieurs terres rares (le lanthane et le cérium)^[16].

Un autre usage courant est la protection contre la corrosion des autres métaux immergés, principalement du fer, on parle alors d'anode sacrificielle (son utilisation est courante pour la protection de coques des bateaux ou de ballons d'eau chaude).

Alliages

À résistance égale, les pièces réalisées en alliages de magnésium permettent d'obtenir un important gain de poids.

• Les alliages magnésium/manganèse contiennent 2 % de manganèse. Ils améliorent la résistance à la corrosion et s'utilise en forgeage, laminage, soudages; terminé par un recuit à 400 °C. En tôles, il fait des carénages ou des réservoirs de carburant (bonne soudabilité).
• Les alliage magnésium/aluminium/zinc : 3 % à 10 % d'aluminium, 0,5 % à 3 % de zinc, 0,35 % à 0,5 % de manganèse et contiennent au moins 90 % de magnésium pur. On distingue :
  • G-A9 (alliage de fonderie) ;
  • G-A9Z1 (alliage de magnésium comprenant 9 % d'aluminium et 1 % de zinc) employé en fonderie ;
  • G-A7Z1 (alliage de forge), les alliages de forge sont moins utilisés en aéronautique ;
  • G-A9 est utilisé pour les carters moteurs, les stators compresseurs, les roues d'avion, les sièges, les boîtiers d'instruments de bord.
• Il existe également des alliages magnésium/zinc/métaux spécifiques.
  • Le zirconium et le cérium permettent ainsi d'améliorer les caractéristiques mécaniques et la résistance à chaud :
    • G-TR3 Z2 Zr (2 % de zinc, 0,7 % de zirconium, 2,5 % de cérium), (TR pour métal de la famille des terres rares).
  • Le thorium améliore la résistance au fluage (utilisés comme alliages de fonderie, ils servent à fabriquer les pièces volumineuses des réacteurs : carter central, carter compresseur) :
    • G-Th3 Z2 Zr (3 % de thorium, 2 % de zinc, 0,7 % de zirconium) ;
    • G-Z5 Th Zr (5 % de zinc, 1,8 % de thorium, 0,7 % de zirconium).

Alimentation

L'apport recommandé quotidien, est estimé à 300 mg de magnésium par jour (le double pour les sportifs ou les femmes enceintes) ou encore 6 mg par kg de masse corporelle^[17].

Sources alimentaires de magnésium

La première source alimentaire de magnésium est souvent d'origine céréalière : les produits céréaliers étant présents à tous les repas, ce sont eux qui couvrent la majeure partie des besoins. Cependant, les produits à base de céréales intégrales ou de farine complète apportent de trois à cinq fois plus de magnésium que les produits raffinés (pain blanc, riz blanc poli, etc.) Il est donc recommandé d'aller vers des aliments peu transformés pour couvrir ses besoins journaliers en magnésium^[17].

(Les quantités correspondent à une portion de 100 g.)

• Sel de Nigari, un extrait naturel de sel marin (11 500 mg),
• les fruits de mer (à l'exception des bigorneaux) en contiennent 410 mg, c'est sans aucun doute l'aliment le plus riche en magnésium,
• ils sont suivis de près par la mélasse (de 197 à 242 mg),
• le cacao (avec 150 à 400 mg),
• les céréales complètes (contenant de 100 à 150 mg),
• la caroube en contient environ 55 mg,
• les épinards de 50 à 100 mg, mais ils contiennent aussi de l'acide oxalique qui gêne leur assimilation.
• enfin, le poisson, les abats et les céréales blutées contiennent de 25 à 50 mg de magnésium^[18].

Quelques autres aliments contenant du magnésium : légumes verts, sarrasin, fèves, amandes, banane.

Médecine

Le corps ne produit pas de magnésium et doit le puiser dans l'alimentation. La consommation excessive de magnésium est éliminée dans les urines, le magnésium ne s'accumule donc pas.

Certains troubles peuvent être consécutifs à un manque de magnésium : dépression^{[réf. nécessaire]}, angoisse^{[réf. nécessaire]}, diabètes^{[réf. nécessaire]}, spasmes musculaires^{[réf. nécessaire]}, crampes^{[réf. nécessaire]}, troubles cardio-vasculaires^{[réf. nécessaire]}, pression artérielle élevée^{[réf. nécessaire]}, insomnie^{[réf. nécessaire]} et ostéoporose^{[réf. nécessaire]}.

Le magnésium, sous forme d'hydrate^{[réf. nécessaire]}, d'oxyde hydraté^{[réf. nécessaire]}, de carbonate (MgCO₃)^{[réf. nécessaire]}, de chlorure (MgCl₂)^{[réf. nécessaire]}, est utilisé en médecine^{[réf. nécessaire]}.

L’hydroxyde de magnésium (Mg(OH)₂) est employé en médecine pour traiter les aigreurs d'estomac^{[réf. nécessaire]}.

L'empoisonnement par excès de magnésium peut exister chez l'enfant et dans le cas de personne souffrant d'insuffisance rénale. L'ingestion de grandes quantités de magnésium a un effet laxatif, du fait d'un appel d'eau par effet osmotique^{[réf. nécessaire]}.

Rôle biologique

Le corps humain adulte contient environ 24 grammes (1 mol) de magnésium, une moitié se trouvant dans les os et l'autre dans les tissus mous. Le sérum ne contient qu'environ 0,3 % du magnésium corporel, raison pour laquelle les concentrations sériques ne sont pas utilisables pour diagnostiquer la carence en magnésium^[19]. Le test de charge en magnésium^[20], s'il ne cause pas de troubles intestinaux et si le sujet n'a pas de maladie rénale, est actuellement recommandé, bien qu'il ne soit pas standardisé^[21]. Dans certains cas de carence^[21], la rétention de magnésium lors de la charge reflète son absorption intestinale et est considérée proportionnelle à la carence osseuse qu'elle vient combler^[22]. Les mesures du magnésium cellulaire total et ionisé sont fréquemment contradictoires^[21] et les mesures d'excrétion urinaire ne sont pas corrélées avec celles du test de charge, réputé plus fiable. La biopsie du muscle permettrait de connaître les concentrations de cet élément dans l'autre compartiment principal, mais cette procédure est rare en clinique. La recherche se tourne vers les techniques d'imagerie par résonance magnétique^[21] et la découverte de marqueurs physiologiques indirects tels que la pompe sodium-potassium (Na/K-ATPase), la thromboxane B2, la protéine C réactive, et l'endothéline-1. Il n'existe pas actuellement de test fiable, rapide, et abordable des concentrations de magnésium dans le corps humain^[23].

Le magnésium sert à^[17] :

• la formation des os et des dents, avec le calcium et le phosphore
• favorise la fixation du calcium sur l'os
• action sur la croissance
• la transmission de l'influx nerveux
• favorise la plasticité cérébrale et évite le déclin de la mémoire^[24]
• la contraction musculaire, rythme cardiaque
• contribue aux mécanismes de défense immunitaire
• lutte contre le stress, effet sédatif (relaxant musculaire)
• à forte concentration, lutte contre la constipation par action osmotique et stimulation motrice locale
• lutte contre la lithiase oxalo-calcique
• anti-allergique
• anti-inflammatoire
• anti-agrégant plaquettaire (rôle protecteur contre les thromboses)
• radioprotecteur
• régulateur thermique
• catalyse de nombreuses réactions métaboliques (catalyse enzymatique, synthèses glycogénique et protéique, transfert du phosphate, etc.).
• lutte contre l'insomnie

Signes de carence en magnésium (hypomagnésémie)^[25] :

• hyperexcitabilité neuro-musculaire : crises de tétanie se caractérisant par la contracture des membres supérieurs (mains d'accoucheur) et du visage ;
• les manifestations chroniques sont le signe de Chvostek (= la percussion de la bouche provoque une contracture de la lèvre supérieure) et le signe de Trousseau (= un garrot au niveau du bras provoque une contracture de la main) ;
• troubles immunologiques ;
• atteintes cardio-vasculaires et, dans les cas extrêmes, infarctus ;
• fatigabilité musculaire ;
• troubles digestifs : diarrhées, nausées et anorexie ;
• irritabilité, nervosité, insomnie ;
• crampes, tremblements ;
• myoclonies (= contractions musculaires brèves et involontaires, entraînant ou non un mouvement) ;
• syndrome confusionnel ;
• crises comitiales (= crises d'épilepsie) le plus souvent convulsives ;
• problèmes au cours de la gestation, pour la mère et le fœtus ;
• dérèglement du système thermique du corps (en plein été, on a la sensation qu'il fait terriblement froid).

Signes d'hypermagnésémie :

• hypotension ;
• bradycardie ;
• nausées, vomissements ;
• fatigabilité musculaire ;
• hyporéflexie ou aréflexie ;
• hypotonie musculaire, somnolence ;
• syndrome confusionnel ;
• coma, arrêt cardiaque.

Note : l'hypermagnésémie est pratiquement toujours d'origine iatrogène (due à un médicament).

Végétaux

Le magnésium est l'un des éléments constitutifs de la chlorophylle, qui catalyse la photosynthèse^[26] :

où il joue un rôle analogue à celui du fer dans l'hémoglobine du sang.

Gisements et production du métal

Le magnésium constitue 2 % de la masse de la lithosphère et 2 à 3 % de celle de la croûte. Il est distribué assez uniformément, 80 minéraux étant constitués à 20 % ou plus de magnésium (magnésite, dolomite, carnallite, brucite, apatite, olivine). Sa teneur dans l'eau de mer est d'environ 0,13 %.

Historiquement, la Russie, les États-Unis, le Canada et la Finlande étaient les principaux producteurs de magnésium, mais de nos jours (2015) plus de 80 % sont produits en Chine^[27].

Deux grandes familles de procédés sont employées pour produire du magnésium métallique : les procédés électrolytiques et les procédés thermiques. Les procédés thermiques se basent sur la réduction de la dolomite en présence de ferrosilicium à haute température tandis que les procédés électrolytiques peuvent traiter des variétés beaucoup plus grandes de minerais^[28].

Procédés thermiques

La réaction de réduction se fait à 1200^oC et un vide à 0,1 torr. Dans ces conditions, le magnésium se vaporise et est récolté avec une pureté de l’ordre de 99,99 %. Le silicate de calcium est revalorisé dans des enduits et des ciments pour le bâtiment. Plusieurs pays ont fait beaucoup d’effort pour perfectionner le procédé Pidgeon. Mentionnons le procédé Magnétherm de Pechiney et le procédé Bolzano qui sont beaucoup plus efficaces énergétiquement^[29].

${\displaystyle 2(MgO.CaO)+Si\longrightarrow SiO_{2},2CaO+2Mg}$

Procédés électrolytiques

Le procédé électrolytique est beaucoup moins énergivore, mais rencontre 3 défis technologiques en plus de produire du magnésium à 99,8 %. Tout d’abord, le procédé se base sur la réduction du chlorure de magnésium à 500^oC. À ces températures, le magnésium s’oxyde rapidement ce qui entraîne l’utilisation de gaz de protection très polluant (Hexafluorure de soufre (GWP 23 900 kg de CO₂ éq.) ou R134a (GWP 1 430 kg de CO₂ éq.)). Ensuite, l’anode la plus employée est en carbone ce qui entraîne la production de BPC, dioxine et furane qu’il faudra éliminer. Finalement, le chlorure de magnésium n’est pas très facile à obtenir et purifier comme le témoignent les 14 technologies en concurrence. Mentionnons le procédé Dow Chemical; US magnesium ^llt à Great Salt Lake, Utah; Norsk Hydro et Magnola^[30],[31].

Réaction principale à l'anode : ${\displaystyle 2Cl^{-}\longrightarrow Cl_{2}+2e^{-}}$

Réaction principale à la cathode : ${\displaystyle Mg^{2+}+2e^{-}\longrightarrow Mg}$

Le magnésium étant envisagé comme un carburant solide, les recherches sur le recyclage de l'oxyde de magnésium par réduction à partir d'énergie solaire se multiplient depuis 2007 (voir moteur au magnésium), au même titre que celles sur la réduction d'autres oxydes métalliques^[32].

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes

• (en) « Technical data for Magnesium » (consulté le 23 avril 2016), avec en sous-pages les données connues pour chaque isotope
• L'intoxication au magnésium sur Urgences-Online
• (en) Images de magnésium sous différentes formes
• Nouveau procédé pour colorer des alliages à base de magnésium (Bulletin ADIT Japon / AIST - 26/08/2009)