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. Il est produit dans de grandes étoiles vieillissantes de l'addition séquentielle de trois noyaux d'hélium à un noyau carboné.
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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'éclampsie12.
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Histoire
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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 175513, 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.
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Isotopes
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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.
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Usages
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Le magnésium est principalement utilisé dans le domaine de l’automobile parce qu'il permet de réaliser des économies de carburant supérieures de 75 % à celles que permet l’aluminium, grâce à sa masse volumique (la plus faible des métaux structuraux) mais aussi à ses bonnes propriétés mécaniques (notamment pour la réduction des vibrations).
Sa production et son recyclage sont par contre difficiles, énergivores et polluants (voir Gisement et production du métal)14. Il entraînerait également des gains environnementaux importants dans le domaine de l’aviation15.
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 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)
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Mécanique
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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 laminage16.
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)17.
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).
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Alliages
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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).
- Le zirconium et le cérium permettent ainsi d'améliorer les caractéristiques mécaniques et la résistance à chaud :
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Alimentation
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L'apport quotidien recommandé, 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 corporelle18.
Des études épidémiologiques en Europe et en Amérique du Nord ont montré que le régime alimentaire occidental était de 30 à 50 % plus pauvre en magnésium que l'apport quotidien recommandé.
Elles suggèrent que l'apport journalier a diminué au cours des 100 dernières années, passant de 500 à environ 200 mg par jour.
Cette évolution est attribuée à l'usage croissant d'engrais et à la consommation croissante de nourriture transformée19.
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Sources alimentaires de magnésium
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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 magnésium18.
(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 (en particulier les 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),
- les fruits secs comme les amandes (170 mg), les noisettes (163 mg) et les noix (158 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.
- l'eau est également une source naturelle de magnésium.
- le poisson, les abats et les céréales blutées contiennent de 25 à 50 mg de magnésium20.
Quelques autres aliments contenant du magnésium : les légumes verts dont les haricots blancs (180 mg), le sarrasin, les fèves, la banane .
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Médecine
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Le corps ne produit pas de magnésium et doit le puiser dans l'alimentation. Le magnésium est mal assimilé par l'organisme, et ne peut être stocké. Il est naturellement relâché dans les selles ou les urines.
Un excès de magnésium ou des compléments alimentaires à base de « mauvais magnésium » (oxyde, chlorure, aspartate, etc.) ont des effets secondaires de type diarrhée.
Il faut un sel de magnésium liposomal ou liposolunle pour avoir un complément alimentaire optimal.
Le manque de magnésium est la première cause d'anxiété et de stress21. D'autres troubles peuvent être consécutifs à un manque de magnésium, notamment dépression, spasmes musculaires, crampes, insomnie et ostéoporose22. Les menstruations créent un déficit en magnésium23.
Le magnésium, sous forme d'hydrate, d'oxyde hydraté, de carbonate (MgCO3), de chlorure (MgCl2), est utilisé en médecine ou médecin nutritionnelle.
L'empoisonnement par excès de magnésium peut exister chez l'enfant et dans le cas de personnes souffrant d'insuffisance rénale.
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Compléments alimentaires à base de magnésium
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Suite à la libéralisation du marché des compléments alimentaires et la diffusion de plusieurs campagnes publicitaires, de nombreuses entreprises ont vendu différents types de compléments à base de magnésium. Il existe trois grandes catégories de sels de magnésium :
- Les sels inorganiques (chlorure, oxyde) : ils sont laxatifs au delà de 50 mg par prise.
- Les sels organiques (citrate, lactate, pidolate, L-aspartate) : ils sont moins laxatifs mais comportent des composés comme l'acide lactique ou l'acide aspartique.
- Les sels solubles dans les graisses (glycérophosphate, formes chélatées) : ils ne sont pas laxatifs car entièrement digérés24.
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Synergie des complements alimentaires
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Afin d'être assimilés par l'organisme et d'affiche efficacement, les sels de magnésium doivent être combinés avec de la taurine et de la vitamine B625,26. L'arginine, à l'instar de la taurine, permet également une meilleur fixation du magnésium.
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Assimilation des sels de magnésium27,28
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| Teneur en magnésium élémentaire | Biodisponibilité | Effets secondaires | |
|---|---|---|---|
| Placebo | 0 | - | 7% |
| Glycérophosphate | 12,4% | Elevée | 7% |
| Citrate | 16,2 | Très élevée | 7% |
| Aspartate | 7,5% | Très élevée | ? |
| Chlorure | 12% | Elevée | 78% |
| Gluconate | 5,4% | Elevée | 27% |
| Lactate | 12% | Très élevée | 32% |
| Carbonate | 40% | Faible | 40% |
| Hydroxyde | 41,5% | Faible | 37% |
| Oxyde | 60,3% | Faible | 47% |
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Magnésium marin
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Peu cher à produire, le magnésium marin est un mélange d'oxyde, d'hydroxyde, de sulfate et de chlorure de magnésium.
Concept marketing avant tout, c'est le magnésium le moins bien absorbé par l'organisme et avec les effets secondaires les plus importants.
Il est en effet très laxatif, et ses composants ont une biodisponibilité très faible29,30.
Glycérophosphate de magnésium
La glycérophosphate de magnésium est une forme chélatée (comme les glycinate, bisglycinate et taurinate) qui est la mieux tolérée mais également la plus chère.
Il contient une forte concentration en phosphate et ne doit donc pas être consommé par des personnes qui consomment beaucoup de phosphore alimentaire ou souffrent d'insuffisance rénale31. Le plus vendu est le D-Stress.
Lactate de magnésium
Le lactate est le sel de magnésium le moins cher à produire. Plusieurs études démontrent qu'il peut déclencher de l'anxiété32. On le retrouve dans la Vivamag ou le Ionimag.
Chlorure de magnésium
Particulièrement laxatif, le chlorure est la forme de magnésium la plus consommée, malgré son acidité qui s'ajoute à celle des aliments, et qui pose souvent des problèmes chez les personnes âgées.
Oxyde et hydroxyde de magnésium
Oxyde et hydroxyde sont les formes de magnésium les moins chères à produire, également celles dont la concentration est la plus élevée.
Ils sont cependant dotés d'une biodisponibilité très faible et il est nécessaire de fractionner les doses. Il s'agit aussi d'une forme de magnésium très laxative.
Magnésium liposomal
Le magnésium liposomal est encapsulé dans des cellules graisseuses, ce qui lui permet d'être totalement assimilé par l'organisme.
C'est le magnésium le mieux digéré et donc avec le moins d'effets secondaires, mais c'est également le plus cher. Sa teneur en magnésium est élevée (12,4 %) et sa biodisponibilité aussi.
Rôle biologique
Le magnésium intervient dans plus de 400 réactions biochimiques. Il est notamment impliqué dans le transport osmotique du glucose, le transport insulinique du glucose et dans toutes les étapes de la production d'énergie.
Mécanisme majeur d'activation biochimique, consistant à ajouter un groupe de phosphate à une protéine, le magnésium est cofacteur de la phosphorylation.
Il est également acteur de l'homéostasie, mécanisme permettant la conversation d'un équilibre intérieur (cellule, rythme cardiaque, miction, digestion, température corporelle, etc.)
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 magnésium33.
Le test de charge en magnésium34, 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 standardisé35.
Dans certains cas de carence35, la rétention de magnésium lors de la charge reflète son absorption intestinale et est considérée proportionnelle à la carence osseuse qu'elle vient combler36.
Les mesures du magnésium cellulaire total et ionisé sont fréquemment contradictoires35 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 magnétique35 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 humain37.
Rôle du magnésium dans l'organisme
- la formation des os et des dents, avec le calcium et le phosphore18
- 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 mémoire38
- 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)
Le déficit en magnésium, qui concerne une majorité de la population39 est la première cause de fatigue, et d'anxiété. Mais il est également un facteur important dans les troubles suivants40 :
- stress (psychologique, allergique, digestif, respiratoire, oxydatif, toxique, inflammatoire...)
- 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 photosynthèse41 :6CO2 + 6H2O + lumière → C6H12O6 (glucose) + 6O2,
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 % du magnésium est produit en Chine42.
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 minerais43.
Procédés thermiques
La réaction de réduction se fait à 1200 °C 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 énergétiquement44.
\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 °C. 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 Magnola45,46.
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 métalliques47.
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