Le magnésium est un élément chimique (symbole Mg) qui nous est familier : qui n'a pas, enfant, pris des compléments alimentaires riches en magnésium ? En termes d'abondance, il pointe en 12ème position dans la voie lactée (0,06 %) mais il est 8ème dans la croûte terrestre et 12^ème dans l'eau de mer (sous forme de sels). Dans le corps humain, il arrive en 11ème position... tout en ne représentant qu'une vingtaine de grammes pour un individu de 70 kg. On le trouve aussi dans de nombreux végétaux ou organismes vivants (cacao, fruits secs, fruits de mer...). C'est un oligoélément qui joue un rôle essentiel dans la chimie du vivant.

Caractéristiques physicochimiques

Le magnésium est un métal alcalino-terreux. C'est un élément de la troisième rangée du tableau périodique des éléments. Il possède 12 électrons (1s², 2s², 2p⁶, 3s²). Il existe une vingtaine d'isotopes du magnésium mais seuls trois sont stables, le ²⁴Mg (79 % de la quantité totale de magnésium sur Terre) et le ²⁵Mg et le ²⁶Mg. La plupart des autres isotopes du magnésium, à l'exception du ²⁷Mg et du ²⁸Mg, ont une demi-vie inférieure à la minute.

A la surface de la Terre, le magnésium est présent sous forme oxydée ou comme composant d'un sel. A l'état métallique, il se présente sous la forme d'un cristal hexagonal de faible densité (1,74 g/cm³) dont la température de fusion est de 650°C. Sa température d'ébullition est 1090°C. Son potentiel d'ionisation vaut 7,6 eV et son électronégativité est très faible : 1,31 (inférieure à celle de l'hydrogène et du carbone). Ceci explique le fait que le magnésium est souvent présent sous la forme de cations Mg²⁺. Le potentiel d'oxydoréduction du couple Mg²⁺/Mg vaut -2,37 V.

Propriétés mécaniques

Le magnésium est utilisé en mécanique pour ses propriétés aussi bonnes, voire meilleures, que celles de l'aluminium. Sa faible densité en fait une alternative intéressante au titane ou à l'aluminium lorsqu'on recherche des gains de masse. Son utilisation est tempérée par les précautions nécessaires lors de l'usinage (c'est un matériau inflammable). Il est souvent associé à d'autres métaux pour former des alliages, avec du manganèse, de l'aluminium ou du zinc par exemple.

Réactivité avec l'air et l'eau

Le magnésium réagit vivement avec l'air et l'eau. Le magnésium en poudre ou en copeaux s'enflamme à l'air libre. On utilisait autrefois la poudre de magnésium pour produire un flash en photographie. C'est le résultat de la réaction d'oxydation du magnésium qui donne de l'oxyde de magnésium MgO. Dans l'eau, la réaction peut être encore plus violente. Elle produit de l'hydroxyde de magnésium et de l'hydrogène gazeux qui brûle et peut même exploser :

L'oxyde de magnésium MgO est une poudre banche appelée magnésie qui est très basique (au sens chimique du terme). La magnésie absorbe l'eau pour donner de l'hydroxyde de magnésium. La température de fusion de la magnésie est très élevée : 2800°C.

L'hydroxyde de magnésium est une base forte mais peu soluble.

Réaction avec les halogènes

Le magnésium est très réactif avec tous les halogènes. Il forme des halogénures de magnésium qui sont des composés ioniques qui se comportent comme des acides de Lewis faibles. C'est le cas par exemple du chlorure de magnésium MgCl₂. Sous forme anhydre c'est une poudre blanche. Il se solvate dans l'eau pour former un hexahydrate de chlorure de magnésium MgCl₂.6H₂O. Le chlorure de magnésium a de nombreuses utilisations, y compris alimentaires.

Sels d'oxacides

Comme le calcium, un autre métal alcalino-terreux, le magnésium forme des sels d'oxacides : nitrate Mg(NO₃)₂, carbonate MgCO₃, phosphate Mg₃(PO₄)₂ et hydrogénophosphate Mg(H₂PO₄)₂, sulfate MgSO₄. Ce sont des sels ioniques qui se présentent sous forme de poudre blanche et se solvatent dans l'eau. La calcination du carbonate de magnésium donne de l'oxyde de magnésium.

Composés organomagnésiens

On appelle composé organomagnésien toute molécule organique comportant au moins une liaison carbone magnésium. C'est le chimiste Victor Grignard qui a synthétisé le premier composé organomagnésien, en l'occurrence un iodure d'isobutyle de magnésium (C₄H₉)MgI. Le diméthylmagnésium (CH₃)₂Mg en est un autre exemple.

Parmi ces composés, la famille de organomagnésiens mixtes a reçu le nom de réactifs de Grignard. Les réactifs de Grignard sont les composés organiques de la forme R-MgX, R étant un radical organique à terminaison carbone et X un halogène. On citera en exemple le chlorure de méthylmagnésium CH₃MgCl, le bromure de vinylmagnésium CH₂=CHMgBr ou le bromure de phénylmagnésium C₆H₅MgBr.

La particularité des organomagnésiens tient à la différence d'électronégativité entre le carbone et le magnésium. Le magnésium étant moins électronégatif que le carbone la liaison C-Mg est polarisée à l'inverse de ce qu'elle est avec d'autres éléments. C'est en effet le carbone qui est ici porteur d'une charge partielle négative C^k--Mg^k+ et la liaison C-Mg a un caractère ionique prononcé. Cela fait des organomagnésiens de très bons réactifs. Du fait de cette réactivité, ils doivent être préparés en milieu strictement anhydre, en général dans un éther comme l'éther diéthylique.

Réactifs de Grignard

Ce sont tout d'abord des bases de Brönsted. Dans l'eau, ils réagissent pour donner un mélange d'hydroxyde et d'halogénure :

En présence d'un alcool ou d'acide carboxylique, la réaction s'écrit comme suit :

(C'est le magnésium qui porte la charge positive du cation MgX.) Le mécanisme de la réaction est assez similaire avec une amine :

-O- Substitution nucléophile

Les réactifs de Grignard permettent de réaliser des réactions de substitution nucléophile. L'une de ces réactions est une substitution bimoléculaire avec un halogénoalcane (substitution SN2) :

La polarisation de la liaison C-Mg permet cette substitution. Le radical R de l'organomagnésien est nucléophile. L'atome de carbone terminal de l'halogénoalcane R'X est quant à lui électrophile (l'halogène étant très électronégatif attire l'électron de la liaison à lui). La constitution de la liaison R-R' libère l'halogénure qui se lie à l'atome de magnésium. Ce type de réaction fonctionne très bien avec les iodures. Elle porte le nom de réaction de Wurtz.

-O- Addition nucléophile

Les réactifs de Grignard permettent de réaliser des réactions d'addition nucléophile sur des groupes carbonyles ou nitriles. Ces deux types de groupe comportent une liaison multiple à caractère fortement polarisé, l'atome de carbone étant cette fois porteur d'une charge partielle positive. Par ailleurs, la liaison multiple comporte une ou deux orbitales pi, donc plus facilement attaquables.

Dans le cas d'une cétone ou d'un aldéhyde (groupe carbonyle), la double liaison C=O va s'ouvrir, l'atome d'oxygène conservant avec lui l'électron apporté par le carbone à la liaison :

Le radical R de l'organomagnésien va occuper la liaison désormais vacante sur le carbone du groupe carbonyle et le cation MgX va se coupler par une liaison ionique avec l'atome d'oxygène porteur de la charge négative. L'hydrolyse du produit de la réaction en milieu acide donnera ensuite un alcool RR'CH(OH). Un mécanisme similaire permet de produire un acide carboxylique en faisant agir un réactif de Grignard sur du CO₂ :

Dans le cas d'un groupe nitrile, on a de la même façon une liaison très polarisée avec un atome d'azote porteur d'une charge négative. La réaction d'addition produit un composé RR'C=N-MgX qui s'hydrolyse en milieu acide pour donner une imine :

Cette imine est instable dans ce milieu acide. Une réaction se produit qui conduit à remplacer le groupe imine par un groupe carbonyle en libérant un ion ammonium :

C'est une voie très efficace pour produire des cétones.

Le magnésium dans la chimie du vivant

Le magnésium est un oligoélément tout à fait essentiel dans la chimie du vivant. Il intervient comme cofacteur dans un nombre considérable d'enzymes. Ce magnésium doit être apporté par l'alimentation... et il ne peut pas être stocké. L'apport minimum recommandé est de 300 mg par jour. On trouve le magnésium dans de nombreux aliments naturels mais il peut également faire l'objet de compléments alimentaires en cas de carence.

Le magnésium est également un élément constitutif de la chlorophylle.

Le magnésium dans le monde minéral

Le magnésium intervient dans de nombreux minéraux. Le carbonate de magnésium MgC0₃ (plus connu sous le nom de magnésie) est souvent présent dans les massifs calcaires. La dolomie CaMg(CO₃)₂ est une roche sédimentaire caractéristique du massif des dolomites. L'oxyde de magnésium MgO cristallisé sous forme cubique est appelé périclase. On le trouve souvent mêlé à de l'oxyde de fer (formule générique (Mg,Fe)O). Les ferropériclases seraient très abondants dans le manteau à une profondeur supérieure à 670 km.

Le magnésium participe également à de nombreux silicates où il occupe le centre de sites généralement octaédriques. La forstérite Mg₂SiO₄ est une olivine (nésosilicate) d'un joli vert. La plupart des olivines sont d'ailleurs des solutions solides de formule (Mg,Fe)SiO₄. On trouve aussi du magnésium dans les pyroxènes (inosilicate) comme l'enstatiteMgSiO₃ ou la diopside CaMgSi₂O₆ ainsi que sous forme de solution solide (Ca,Mg,Fe)SiO₃.

A très haute pression il existe une forme polymorphe des pyroxènes ferromagnésiens (Mg,Fe)SiO₃ avec une structure pérovskite. On a donné à ce cristal le nom de bridgmanite. Dans la bridgmanite, la coordinence du silicium n'est pas de 4 mais de 6 (polyèdre de coordination octaédrique) et celle du fer (ou du magnésium) est de 12 (polyèdre de coordination cuboctaédrique).

Les spécialistes de la géologie du manteau terrestre pensent que la bridgmanite est l'une des phases cristallines les plus abondantes du manteau entre 670 km de profondeur et 2700 km.

La chrysotile Mg₃Si₂O₅(OH)₄, plus connue sous le nom d'amiante blanche, est un phyllosilicate. Elle fait partie fait partie d'une famille des serpentines dont la formule générique est (Mg,Fe,Ni)₃Si₂O₅(OH)₄. Les serpentines sont abondantes dans les roches métamorphiques. Les roches comportant des silicates ferromagnésiens sont dites mafiques.

Citons enfin la brucite Mg(OH)₂, un hydroxyde de magnésium que l'on trouve dans de nombreuses roches métamorphiques. C'est un cristal lamellaire dont le polyèdre de coordination est octaédrique. Chaque cation Mg²⁺ est relié à six ligands OH^-. L'ion hydroxyle possédant trois doublets non liants est quant à lui relié à trois cations Mg²⁺.