Все о кальции как о химическом элементе. Применение соединений кальция

Кальций (Calcium), Ca, химический элемент II группы периодической системы Менделеева, атомный номер 20, атомная масса 40,08; серебряно-белый легкий металл. Природный элемент представляет смесь шести стабильных изотопов: 40 Ca, 42 Ca, 43 Ca, 44 Ca, 46 Ca и 48 Ca, из которых наиболее распространен 40 Ca (96, 97%).

Соединения Ca - известняк, мрамор, гипс (а также известь - продукт обжига известняка) уже в глубокой древности применялись в строительном деле. Вплоть до конца 18 века химики считали известь простым телом. В 1789 году А. Лавуазье предположил, что известь, магнезия, барит, глинозем и кремнезем - вещества сложные. В 1808 году Г. Дэви, подвергая электролизу с ртутным катодом смесь влажной гашеной извести с оксидом ртути, приготовил амальгаму Ca, а отогнав из нее ртуть, получил металл, названный "Кальций" (от лат. calx, род. падеж calcis - известь).

Распространение Кальция в природе. По распространенности в земной коре Ca занимает 5-е место (после О, Si, Al и Fe); содержание 2,96% по массе. Он энергично мигрирует и накапливается в различных геохимических системах, образуя 385 минералов (4-е место по числу минералов). В мантии Земли Ca мало и, вероятно, еще меньше в земном ядре (в железных метеоритах 0,02%). Ca преобладает в нижней части земной коры, накапливаясь в основные породах; большая часть Ca заключена в полевом шпате - анортите Ca; содержание в основных породах 6,72%, в кислых (граниты и другие) 1,58% . В биосфере происходит исключительно резкая дифференциация Ca, связанная главным образом с "карбонатным равновесием": при взаимодействии углекислого газа с карбонатом СаСО 3 образуется растворимый бикарбонат Ca(HCO 3) 2: CaCO 3 + H 2 O + CO 2 = Ca(HCO 3) 2 = Са 2+ + 2HCO 3- . Эта реакция обратима и является основой перераспределения Ca. При высоком содержании CO 2 в водах Ca находится в растворе, а при низком содержании CO 2 в осадок выпадает минерал кальцит CaCO 3 , образуя мощные залежи известняка, мела, мрамора.

Огромную роль в истории Ca играет и биогенная миграция. В живом веществе из элементов-металлов Ca - главный. Известны организмы, которые содержат более 10% Ca (больше углерода), строящие свой скелет из соединений Ca, главным образом из СаСО 3 (известковые водоросли, многие моллюски, иглокожие, кораллы, корненожки и т. д.). С захоронением скелетов мор. животных и растений связано накопление колоссальных масс водорослевых, коралловых и прочих известняков, которые, погружаясь в земные глубины и минерализуясь, превращаются в различные виды мрамора.

Огромные территории с влажным климатом (лесные зоны, тундра) характеризуются дефицитом Ca - здесь он легко выщелачивается из почв. С этим связано низкое плодородие почв, низкая продуктивность домашних животных, их малые размеры, нередко болезни скелета. Поэтому большое значение имеет известкование почв, подкормка домашних животных и птиц и т. д. Напротив, в сухом климате СаСО 3 труднорастворим, поэтому ландшафты степей и пустынь богаты Ca. В солончаках и соленых озерах часто накапливается гипс CaSO 4 ·2H 2 O.

Реки приносят в океан много Ca, но он не задерживается в океанической воде (среднее содержание 0,04%), а концентрируется в скелетах организмов и после их гибели осаждается на дно преимущественно в форме CaCO 3 . Известковые илы широко распространены на дне всех океанов на глубинах не более 4000 м (на больших глубинах происходит растворение СаСО 3 , организмы там нередко испытывают дефицит Ca).

Важную роль в миграции Ca играют подземные воды. В известняковых массивах они местами энергично выщелачивают CaCO 3 , с чем связано развитие карста, образование пещер, сталактитов и сталагмитов. Помимо кальцита, в морях прошлых геологических эпох было широко распространено отложение фосфатов Ca (например, месторождения фосфоритов Каратау в Казахстане), доломита CaCO 3 ·MgCO 3 , а в лагунах при испарении - гипса.

В ходе геологической истории росло биогенное карбонатообразование, а химическое осаждение кальцита уменьшалось. В докембрийских морях (свыше 600 млн. лет назад) не было животных с известковым скелетом; они приобрели широкое распространение начиная с кембрия (кораллы, губки и т. д.). Это связывают с высоким содержанием CO 2 в атмосфере докембрия.

Физические свойства Кальция. Кристаллическая решетка α-формы Ca (устойчивой при обычной температуре) гранецентрированная кубическая, а = 5,56Å. Атомный радиус 1,97Å, ионный радиус Ca 2+ , 1,04Å. Плотность 1,54 г/см 3 (20 °C). Выше 464 °C устойчива гексагональная β-форма. t пл 851 °C, t кип 1482 °C; температурный коэффициент линейного расширения 22·10 -6 (0-300 °C); теплопроводность при 20 °C 125,6 Вт/(м·К) или 0,3 кал/(см·сек·°C); удельная теплоемкость (0-100 °C) 623,9 дж/(кг·К) или 0,149 кал/(г·°C); удельное электросопротивление при 20 °C 4,6·10 -8 ом·м или 4,6·10 -6 ом·см; температурный коэффициент электросопротивления 4,57·10 -3 (20 °C). Модуль упругости 26 Гн/м 2 (2600 кгс/мм 2); предел прочности при растяжении 60 Мн/м 2 (6 кгс/мм 2); предел упругости 4 Мн/м 2 (0,4 кгс/мм 2), предел текучести 38 Мн/м 2 (3,8 кгс/мм 2); относительное удлинение 50%; твердость по Бринеллю 200-300 Мн/м 2 (20-30 кгс/мм 2). Кальций достаточно высокой чистоты пластичен, хорошо прессуется, прокатывается и поддается обработке резанием.

Химические свойства Кальция. Конфигурация внешней электронной оболочки атома Ca 4s 2 , в соответствии с чем Ca в соединениях 2-валентен. Химически Ca очень активен. При обычной температуре Ca легко взаимодействует с кислородом и влагой воздуха, поэтому его хранят в герметически закрытых сосудах или под минеральным маслом. При нагревании на воздухе или в кислороде воспламеняется, давая основной оксид CaO. Известны также пероксиды Ca - CaO 2 и CaO 4 . С холодной водой Ca взаимодействует сначала быстро, затем реакция замедляется вследствие образования пленки Ca(OH) 2 . Ca энергично взаимодействует с горячей водой и кислотами, выделяя H 2 (кроме концентрированной HNO 3). С фтором реагирует на холоду, а с хлором и бромом - выше 400 °C, давая соответственно CaF 2 , CaCl 2 и CaBr 2 . Эти галогениды в расплавленном состоянии образуют с Ca так называемых субсоединения - CaF, CaCl, в которых Ca формально одновалентен. При нагревании Ca с серой получается сульфид кальция CaS, последний присоединяет серу, образуя полисульфиды (CaS 2 , CaS 4 и другие). Взаимодействуя с сухим водородом при 300-400 °C, Ca образует гидрид CaH 2 - ионное соединение, в котором водород является анионом. При 500 °C Ca и азот дают нитрид Ca 3 N 2 ; взаимодействие Ca с аммиаком на холоду приводит к комплексному аммиакату Ca 6 . При нагревании без доступа воздуха с графитом, кремнием или фосфором Ca дает соответственно карбид кальция CaC 2 , силициды Ca 2 Si, CaSi, CaSi 2 и фосфид Ca 3 P 2 . Ca образует интерметаллические соединения с Al, Ag, Au, Cu, Li, Mg, Pb, Sn и другие.

Получение Кальция. В промышленности Ca получают двумя способами: 1) нагреванием брикетированной смеси CaO и порошка Al при 1200 °C в вакууме 0,01-0,02 мм рт. ст.; выделяющиеся по реакции: 6CaO + 2 Al = 3CaO·Al 2 O 3 + 3Ca пары Ca конденсируются на холодной поверхности; 2) электролизом расплава CaCl 2 и KCl с жидким медно-кальциевым катодом приготовляют сплав Cu - Ca (65% Ca), из которого Ca отгоняют при температуре 950-1000 °C в вакууме 0,1-0,001 мм рт. ст.

Применение Кальция. В виде чистого металла Ca применяют как восстановитель U, Th, Cr, V, Zr, Cs, Rb и некоторых редкоземельных металлов из их соединений. Его используют также для раскисления сталей, бронз и других сплавов, для удаления серы из нефтепродуктов, для обезвоживания органических жидкостей, для очистки аргона от примеси азота и в качестве поглотителя газов в электровакуумных приборах. Большое применение в технике получили антифрикционные материалы системы Pb-Na-Ca, а также сплавы Pb-Ca, служащие для изготовления оболочки электрич. кабелей. Сплав Ca-Si-Ca (силикокальций) применяется как раскислитель и дегазатор в производстве качественных сталей.

Кальций в организме. Ca - один из биогенных элементов, необходимых для нормального протекания жизненных процессов. Он присутствует во всех тканях и жидкостях животных и растений. Лишь редкие организмы могут развиваться в среде, лишенной Ca. У некоторых организмов содержание Ca достигает 38%; у человека - 1,4-2%. Клетки растительных и животных организмов нуждаются в строго определенных соотношениях ионов Ca 2+ , Na + и K + во внеклеточных средах. Растения получают Ca из почвы. По их отношению к Ca растения делят на кальцефилов и кальцефобов. Животные получают Ca с пищей и водой. Ca необходим для образования ряда клеточных структур, поддержания нормальной проницаемости наружных клеточных мембран, для оплодотворения яйцеклеток рыб и других животных, активации ряда ферментов. Ионы Ca 2+ передают возбуждение на мышечное волокно, вызывая его сокращение, увеличивают силу сердечных сокращений, повышают фагоцитарную функцию лейкоцитов, активируют систему защитных белков крови, участвуют в ее свертывании. В клетках почти весь Ca находится в виде соединений с белками, нуклеиновыми кислотами, фосфолипидами, в комплексах с неорганических фосфатами и органических кислотами. В плазме крови человека и высших животных только 20-40% Ca может быть связано с белками. У животных, обладающих скелетом, до 97-99% всего Ca используется в качестве строительного материала: у беспозвоночных в основном в виде CaCO 3 (раковины моллюсков, кораллы), у позвоночных - в виде фосфатов. Многие беспозвоночные запасают Ca перед линькой для построения нового скелета или для обеспечения жизненных функций в неблагоприятных условиях.

Содержание Ca в крови человека и высших животных регулируется гормонами паращитовидных и щитовидной желез. Важнейшую роль в этих процессах играет витамин D. Всасывание Ca происходит в переднем отделе тонкого кишечника. Усвоение Ca ухудшается при снижении кислотности в кишечнике и зависит от соотношения Ca, P и жира в пище. Оптимальные соотношения Са / Р в коровьем молоке около 1,3 (в картофеле 0,15, в бобах 0,13, в мясе 0,016). При избытке в пище P или щавелевой кислоты всасывание Ca ухудшается. Желчные кислоты ускоряют его всасывание. Оптимальные соотношения Са / жир в пище человека 0,04-0,08 г Ca на 1 г жира. Выделение Ca происходит главным образом через кишечник. Млекопитающие в период лактации теряют много Ca с молоком. При нарушениях фосфорно-кальциевого обмена у молодых животных и детей развивается рахит, у взрослых животных - изменение состава и строения скелета (остеомаляция).

Соединения кальция известны с древних времен, однако до 17 в. об их природе ничего не знали. Египетские строительные растворы, которые использовались в пирамидах Гизы, были основаны на частично обезвоженном гипсе CaSO 4 ·2H 2 O. Он же является основой всей штукатурки в гробнице Тутанхамона. Римляне использовали строительный раствор из песка и извести (полученной при нагревании известняка CaCO 3): во влажном климате Италии он был более устойчив.

Название элемента – от латинского calx, calcis – известь («мягкий камень»). Оно было предложено Г.Дэви в 1808, выделившим металлический кальций электролитическим методом. Дэви смешивал влажную кальциевую «землю» (оксид кальция CaO) с оксидом ртути HgO на платиновой пластине, которая являлась анодом. Катодом служила платиновая проволока, погруженная в жидкую ртуть. В результате электролиза получалась амальгама металла, который можно было получить в чистом виде, испарив ртуть.

Кальций является пятым из наиболее распространенных в земной коре элементом и третьим по распространенности металлом (после алюминия и железа). На долю кальция приходится около 1,5% от общего числа атомов земной коры. Во многих частях поверхности Земли имеются значительные осадочные залежи карбоната кальция, которые образовались из остатков древних морских организмов. В них это соединение находится, в основном, в виде минералов двух типов. Чаще встречается ромбоэдрический кальцит, в теплых морях образуется орторомбический арагонит. Представителями минералов первого типа является сам кальцит, а также доломит, мрамор, мел и исландский шпат. Громадными пластами карбоната кальция в виде арагонита образованы Багамы, о-ва Флорида-Кис и бассейн Красного моря. Другие важные минералы – гипс CaSO 4 ·2H 2 O, ангидрит CaSO 4 , флюорит CaF 2 и апатит Ca 5 (PO 4) 3 (Cl,OH,F). Значительное количество кальция находится в природных водах в виде гидрокарбоната (см . ХИМИЯ ГИДРОСФЕРЫ). Кальций содержится и в организмах многих животных. Гидроксоапатит Ca 5 (PO 4) 3 (OH) является основой костной ткани позвоночных. Из карбоната кальция, в основном, состоят кораллы, раковины моллюсков, жемчуг, яичная скорлупа.

Металлический кальций получают электролизом расплавленного хлорида кальция, который является побочным продуктом в процессе Сольве или образуется в реакции между соляной кислотой и карбонатом кальция.

Сравнительно мягкий блестящий металл имеет бледно-желтую окраску. Он химически менее активен, чем другие щелочноземельные металлы, так как на воздухе покрывается защитной оксидно-нитридной пленкой. Его даже можно обрабатывать на токарном станке.

Кальций активно реагирует с неметаллами. При нагревании в кислороде и на воздухе воспламеняется. С водой кальций реагирует с выделением водорода и образованием гидроксида кальция. Он растворяется в жидком аммиаке с образованием темно-синих растворов, из которых при выпаривании можно получить блестящий аммиакат медного цвета Са(NH 3) 6 .

Металлический кальций используется, главным образом, как легирующая добавка. Так, введение кальция повышает прочность алюминиевых подшипников. С помощью кальция регулируют содержание углерода в чугуне и удаляют висмут из свинца. Он используется для очистки стали от кислорода, серы и фосфора. Его применяют и для поглощения кислорода и азота, в частности, для удаления примесей азота из технического аргона. Он служит восстановителем при производстве других металлов, таких как хром, цирконий, торий и уран. Например, металлический цирконий можно получить из его диоксида: ZrO 2 + 2Ca = Zr + 2CaO. Кальций также непосредственно реагирует с водородом с образованием гидрида кальция СаН 2 , который является удобным источником водорода.

Наиболее важным галогенидом кальция является фторид CaF 2 , так как в виде минерала (флюорит) он является единственным промышленно важным источником фтора. Белый тугоплавкий фторид кальция мало растворим в воде, что используется в количественном анализе.

Хлорид кальция CaCl 2 также имеет большое значение. Он является компонентом рассолов для холодильных установок и для заполнения шин тракторов и другого транспорта. С помощью хлорида кальция удаляют снег и лед с дорог и тротуаров. Эвтектическая смесь CaCl 2 –H 2 O, содержащая 30 масс. % CaCl 2, плавится при –55° С. Эта температура существенно ниже, чем в случае смеси хлорида натрия с водой, для которой минимальная температура плавления составляет –18° С. Хлорид кальция применяется и для защиты угля и руды от замерзания при транспортировке и хранении. Его используют в бетонных смесях для ускорения начала схватывания, повышения начальной и конечной прочности бетона. Хлорид кальция является отходом многих химико-технологических процессов, в частности, крупнотоннажного производства соды. Однако потребление хлорида кальция значительно уступает его производству, поэтому около содовых заводов образовались целые озера, наполненные рассолом CaCl 2 . Такие пруды-накопители можно видеть, например, в Донбассе.

Наиболее широкое применение из соединений кальция имеют карбонат, оксид и гидроксид. Самая распространенная форма карбоната кальция – известняк. Смешанный карбонат кальция и магния носит название доломит. Известняк и доломит используются в качестве строительных материалов, дорожных покрытий, реагентов, понижающих кислотность почвы. Их добывают во всем мире в огромных количествах. Карбонат кальция CaCO 3 является также важнейшим промышленным реагентом, который необходим для получения оксида кальция (негашеной извести) CaO и гидроксида кальция (гашеной извести) Ca(OH) 2 .

Оксид и гидроксид кальция являются ключевыми веществами во многих областях химической, металлургической и машиностроительной промышленности. Известь СаО производится в огромных количествах во многих странах и входит в десятку химических веществ с максимальным объемом производства.

Большие количества извести расходуются при производстве стали, где она используется для удаления фосфора, серы, кремния и марганца. В кислородно-конверторном процессе на тонну стали требуется 75 кг извести. Она заметно продлевает жизнь огнеупорной облицовки. Известь используется также в качестве смазочного материала при вытягивании стальной проволоки и нейтрализации отходов травильных жидкостей, содержащих серную кислоту. Еще одно применение в металлургии – производство магния.

Известь – наиболее распространенный химический реагент для обработки источников воды для питья и промышленности. Ее используют вместе с квасцами или солями железа для коагуляции суспензий и удаления помутнения, а также для смягчения воды за счет удаления временной (гидрокарбонатной) жесткости (см . ОЧИСТКА ВОДЫ)

Еще одна область применения извести – нейтрализация кислотных растворов и промышленных отходов. С ее помощью устанавливают оптимальное значение рН для биохимического окисления сточных вод. Известь используют и в газопромывателях для удаления диоксида серы и сероводорода из газовых отходов электростанций, работающих на ископаемом топливе, и печей для плавки металлов.

В химической промышленности известь используется при производстве карбида кальция (для последующего получения ацетилена), цианамида кальция и многих других веществ. Важным потребителем является также стекольная промышленность. Наиболее распространенные стекла содержат в своем составе около 12% оксида кальция. Инсектицид арсенат кальция, который получают нейтрализацией мышьяковой кислоты известью, широко используется для борьбы с хлопковым долгоносиком, яблонной плодожоркой, табачным червем, колорадским жуком. Важными фунгицидами являются известково-сульфатные аэрозоли и бордосские смеси, которые получают из сульфата меди и гидроксида кальция.

Большие количества гидроксида кальция требуются для целлюлозно-бумажной промышленности. На бумажных предприятиях отработанный раствор карбоната натрия обрабатывают известью для регенерации каустической соды (гидроксида натрия NaOH), используемой в технологическом процессе. Около 95% образовавшейся суспензии карбоната кальция высушивается и вновь обжигается во вращающихся печах для регенерации оксида кальция. Отбеливающие жидкости для бумажной пульпы, содержащие гипохлорит кальция, получают реакцией извести с хлором.

Производство высококачественной бумаги требует использования специально осажденного карбоната кальция. Для этого сначала обжигают известняк и собирают по отдельности диоксид углерода и оксид кальция. Последний затем обрабатывают водой и вновь переводят в карбонат. Тип образующихся кристаллов, а также их размеры и форма зависят от температуры, рН, скорости смешивания, концентраций и присутствия добавок. Мелкие кристаллы (менее 45 мкм) часто покрывают жирными кислотами, смолами или смачивающими веществами. Карбонат кальция придает бумаге яркость, непрозрачность, восприимчивость к чернилам и гладкость. В более высоких концентрациях он нейтрализует сильный глянец, вызываемый добавками каолина, и дает тусклый матовый оттенок. Такая бумага может содержать 5–50% (по массе) осажденного карбоната кальция. СаСО 3 также используется как наполнитель в резинах, латексах, красках и эмалях, а также в пластиках (около 10% по массе) для улучшения их термостойкости, жесткости, твердости и обрабатываемости.

В быту и медицине осажденный карбонат кальция применяется как средство, нейтрализующее кислоту, мягкий абразив в зубных пастах, источник дополнительного кальция в диетах, составная часть жевательной резинки и наполнитель в косметике.

Известь применяется и в молочной промышленности. Известковую воду (насыщенный раствор гидроксида кальция) часто добавляют к сливкам при отделении их от цельного молока, чтобы понизить их кислотность перед пастеризацией и превращением в масло. Снятое молоко затем подкисляют, чтобы отделить казеин, который смешивают с известью для получения казеинового клея. После ферментации оставшегося снятого молока (сыворотки) к нему добавляют известь, чтобы выделить лактат кальция, который используют в медицине или как сырье для последующего получения молочной кислоты. Производство сахара также связано с использованием извести. Для осаждения сахарата кальция, который затем очищают от фосфатных и органических загрязнений, проводят реакцию сырого сахарного сиропа с известью. Последующее действие диоксида углерода приводит к образованию нерастворимого карбоната кальция и очищенной растворимой сахарозы. Цикл повторяют несколько раз. Тростниковый сахар обычно требует около 3–5 кг извести на тонну, а свекловичный сахар – в сто раз больше, то есть около 1/2 тонны извести на тонну сахара.

Можно отметить также частную область применения карбоната кальция в виде перламутра. Это материал, образованный тонкими слоями карбоната кальция в форме арагонита, соединенными белковым клеем. После полировки он переливается всеми цветами радуги и становится декоративным, очень прочен, хотя на 95% состоит из карбоната кальция.

Сульфат кальция обычно существует в виде дигидрата (гипс), хотя добывают и безводный сульфат кальция (ангидрит). Известен также алебастр – компактная, массивная, мелкозернистая форма CaSO 4 ·2H 2 O, напоминающая мрамор. Если гипс прокалить при 150–165 °С, он теряет примерно 2/3 кристаллизационной воды и образует полугидрат CaSO 4 ·0,5H 2 O, известный также как строительный алебастр, или «парижская штукатурка» (так как его первоначально получали из гипса, добытого на Монмартре). Нагревание при более высокой температуре приводит к образованию различных безводных форм.

Хотя гипс добывают не в таких количествах, как известняк, он остается промышленно важным материалом. Почти весь прокаленный гипс (95%) используется для производства полуфабрикатов – в основном, стеновых панелей, а остальное количество – в промышленных и строительных штукатурках. Поглощая воду, полугидрат незначительно расширяется (на 0,2–0,3%), и это главное при его использовании для лепнины и штукатурки. Применяя добавки, можно менять степень его расширения в пределах 0,03–1,2%.

Для кальция не очень характерно образование комплексных соединений. Кислородсодержащие комплексы, например, с ЭДТА или полифосфатами, имеют большое значение в аналитической химии и для удаления ионов кальция из жесткой воды.

Кальций относится к числу макроэлементов. Его содержание в организме взрослого человека (в расчете на массу 65 кг) составляет 1,3 кг. Он необходим для формирования костей и зубов, поддержания сердечного ритма и свертывания крови. Основным источником поступления кальция в организм служат молоко и молочные продукты. Суточная потребность составляет 0,8 г в сутки. Всасыванию катионов кальция способствуют молочная и лимонная кислоты, в то время как фосфат-ион, оксалат-ион и фитиновая кислота затрудняют всасывание кальция из-за образования комплексов и малорастворимых солей. В организме есть сложная система хранения и высвобождения кальция.

Использование кальция в качестве строительного материала костей и зубов связано с тем, что ионы кальция не используются в клетке. Концентрацию кальция контролируют особые гормоны, их совместное действие сохраняет и поддерживает структуру костей.

Предполагается, что ионы кальция, связываясь с мембраной нерва, влияют на ее проницаемость для других катионов. Очевидно, он замещает ионы магния и тем самым активирует некоторые ферменты. Поступление ионов кальция может быть сопряжено с внесением фосфата, который поэтому называют переносчиком кальция.

Установлено, что регулятором ионов кальция в различных типах мышц является саркоплазматический ретикулум (СР). Ионы кальция накапливаются в кальциесвязывающих белках, например в кальсеквестрине. Последний связывает примерно 43 иона Са 2+ на моль белка. Мышечное сокращение связано с освобождением ионов кальция из СР и его связыванием на активных центрах мышечных волокон. Концентрация ионов кальция в саркоплазме за несколько миллисекунд повышается в 100 раз. Вынужденное истечение ионов Са 2+ из СР происходит очень быстро. Непосредственно после освобождения ионов кальция СР начинает накачивать их обратно. Сокращение мышц возникает в результате появления нервного импульса в двигательном нерве, оканчивающемся в мышечном волокне, что вызывает высвобождение ионов кальция из его запасов.

Механизм свертывания крови представляет собой каскадный процесс, многие этапы которого зависят от присутствия ионов кальция, которые активируют соответствующие ферменты.

Накопление кальция является характерной особенностью роста костей зубов, раковин и других подобных структур. С другой стороны, повышение содержания кальция в нетипичных участках приводит к образованию камней, остеоартриту, катарактам и артериальным нарушениям.

Елена Савинкина

Введение

Химия - это наука о веществах, их строении, свойствах и взаимопревращениях.

Химия тесно связана с другими естественными науками: физикой, биологией, геологией. Многие разделы современной науки возникли на стыке этих наук: физическая химия, геохимия, биохимия.

Новая специальность в системе химических дисциплин под названием «Классификация и сертификация товаров на основе химического состава» основана в 1997 году узбекскими учеными И.Р. Аскаровым и Т.Т. Рискиевым. Важное значение в формировании этой новой химической дисциплины имели результаты научных исследований, проводимых такими узбекскими учеными как А.А. Ибрагимов, Г.Х. Хамракулов, М.А. Рахимджанов, М.Ю. Исаков, К.М. Каримкулов, О.А. Ташпулатов, А.А. Намазов, Б.Я. Абдуганиев, Ш.М. Миркамилов, О. Кулимов, Н.Х. Тухтабоев и другие.

Кальций - являясь щелочноземельным металлом, один из самых важных элементов на Земле.

Кальций очень важен как для человека, так и для животных и растений.

Естественно, что, обладая такими химическими свойствами, кальций не может находиться в природе в свободном состоянии. Зато соединения кальция - и природные и искусственные - приобрели первостепенное значение.

Ка ? льций - элемент главной подгруппы второй группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, с атомным номером 20, следовательно, ядро атома кальция имеет 20 положительных зарядов, образованных 20 протонами; число нейтронов в ядре 40 - 20 = 20. 20 электронов, нейтрализующих заряд ядра, расположены на четырех уровнях энергии. Относительная атомная масса 40.078 (4). Обозначается символом Ca (лат. Calcium).

1. История открытия

Название элемента происходит от лат. calx (в родительном падеже calcis) - «известь», «мягкий камень». Оно было предложено английским химиком Хэмфри Дэви, в 1808 г. выделившим металлический кальций электролитическим методом. Дэви подверг электролизу смесь влажной гашёной извести с оксидом ртути Hg2O на платиновой пластине, которая являлась анодом. Катодом служила платиновая проволока, погруженная в жидкую ртуть. В результате электролиза получалась амальгама кальция. Отогнав из неё ртуть, Дэви получил металл, названный кальцием.

Соединения кальция - известняк, мрамор, гипс (а также известь - продукт обжига известняка) применялись в строительном деле уже несколько тысячелетий назад. Вплоть до конца XVIII века химики считали известь простым телом. В 1789 году А. Лавуазье предположил, что известь, магнезия, барит, глинозём и кремнезём - вещества сложные.

кальций химический соединение

2. Нахождение в природе

Из-за высокой химической активности кальций в свободном виде в природе не встречается.

На долю кальция приходится 3,38% массы земной коры (5-е место по распространенности после кислорода, кремния, алюминия и железа). Содержание элемента в морской воде - 400 мг/л.

Большая часть кальция содержится в составе силикатов и алюмосиликатов различных горных пород (граниты, гнейсы и т.п.), особенно в полевом шпате - анортите Ca.

В виде осадочных пород соединения кальция представлены мелом и известняками, состоящими в основном из минерала кальцита (CaCO3). Кристаллическая форма кальцита - мрамор - встречается в природе гораздо реже.

Довольно широко распространены такие минералы кальция, как:

кальцит, известняк, мрамор, мел CaCO3,

ангидрит CaSO4,

алебастр CaSO4·0.5H2O

гипс CaSO4·2H2O,

флюорит CaF2,

фосфиты и апатиты Ca3(PO4)2(F, Cl, OH),

доломит MgCO3·CaCO3.

Присутствием солей кальция и магния в природной воде определяется её жёсткость.

Кальций, энергично мигрирующий в земной коре и накапливающийся в различных геохимических системах, образует 385 минералов (четвёртое место по числу минералов).

Рис. 1. Залежи кальция в соленых наплывах

Соединения кальция находятся практически во всех животных и растительных тканях. Значительное количество кальция входит в состав живых организмов. Так, гидроксиапатит Ca3(PO4)2OH, или, в другой записи, 3Ca3(PO4)2·Са(OH)2 - основа костной ткани позвоночных, в том числе и человека; из карбоната кальция CaCO3 состоят раковины и панцири многих беспозвоночных, яичная скорлупа и др. В живых тканях человека и животных 1,4-2% Са (по массовой доле); в теле человека массой 70 кг содержание кальция - около 1,7 кг (в основном в составе межклеточного вещества костной ткани).

. Получение

В промышленности кальций получают двумя способами:

Нагреванием брикетированной смеси СаО и порошка Аl при 1170-1200°С в вакууме 0,01 - 0,02 мм. рт. ст.; выделяющиеся по реакции:

СаО + 2Аl = 3CaO · Al2O3 + 3Ca

Пары кальция конденсируются на холодной поверхности.

Электролизом расплава СаСl2 (75-80%) и КСl с жидким медно-кальциевым катодом приготовляют сплав Сu - Ca (65% Ca), из которого кальций отгоняют при температуре 950 - 1000°С в вакууме 0,1 - 0,001 мм. рт. ст. или из (6 частей) CaCl2 и (1 часть) CaF2.

Разработан также способ получения кальция термической диссоциацией карбида кальция СаС2.

4. Физические свойства

Внешний вид простого вещества

Рис2. Умеренно твёрдый, серебристо-белый металл

Имя, символ, номер

Ка?льций/Calcium (Ca), 20

Атомная масса (молярная масса)

40,078 а. е. м. (г/моль)

Электронная конфигурация

Радиус атома

Ковалентный радиус

Радиус иона

Электроотрицательность

1,00 (шкала Полинга)

Электродный потенциал

Степени окисления

Энергия ионизации (первый электрон)

589,4 (6,11) кДж/моль (эВ)

Плотность (при н. у.)

1,55 г./см³

Температура плавления

842 oС

Теплота плавления

9,20 кДж/моль

Теплота испарения

153,6 кДж/моль

Молярная теплоёмкость

25,9 Дж/(K·моль)

Молярный объём

29,9 см³/моль

Структура решётки

кубическая гранецентрированная

Параметры решётки

Температура Дебая

Теплопроводность

(300 K) (201) Вт/(м·К)

Простое вещество кальций - мягкий, химически активный щёлочноземельный металл серебристо-белого цвета.

Металл кальций существует в двух аллотропных модификациях. До 443°C устойчив?-Ca с кубической гранецентрированной решеткой (параметр а = 0,558 нм), выше устойчив?-Ca с кубической объемно-центрированной решеткой типа?-Fe (параметр a = 0,448 нм). Стандартная энтальпия перехода? ? ? составляет 0,93 кДж/моль.

При постепенном повышении давления начинает проявлять свойства полупроводника, но не становится полупроводником в полном смысле этого слова (металлом уже тоже не является). При дальнейшем повышении давления возвращается в металлическое состояние и начинает проявлять сверхпроводящие свойства (температура сверхпроводимости в шесть раз выше, чем у ртути, и намного превосходит по проводимости все остальные элементы). Уникальное поведение кальция похоже во многом на стронций (то есть параллели в периодической системе сохраняются).

Кальций встречается в природе в виде смеси шести изотопов: 40Ca, 42Ca, 43Ca, 44Ca, 46Ca и 48Ca, среди которых наиболее распространённый - 40Ca - составляет 96,97%.

Из шести природных изотопов кальция пять стабильны. Шестой изотоп 48Ca, самый тяжелый из шести и весьма редкий (его изотопная распространённость равна всего 0,187%), как было недавно обнаружено, испытывает двойной бета-распад с периодом полураспада 5,3·1019 лет.

. Химические свойства

Кальций - типичный щёлочноземельный металл. Химическая активность кальция высока, но ниже, чем более тяжёлых щёлочноземельных металлов. Он легко взаимодействует с кислородом, углекислым газом и влагой воздуха, из-за чего поверхность металлического кальция обычно тускло серая, поэтому в лаборатории кальций обычно хранят, как и другие щёлочноземельные металлы, в плотно закрытой банке под слоем керосина или жидкого парафина.

На внешнем энергетическом уровне находится 2 электрона. Во всех соединениях степень окисления кальция +2.

В ряду стандартных потенциалов кальций расположен слева от водорода.

Стандартный электродный потенциал пары Ca2+/Ca0 ?2,84 В, так что кальций активно реагирует с холодной водой (с горячей водой реакция протекает более энергично), но без воспламенения:

С активными неметаллами (кислородом, хлором, бромом) кальций реагирует при обычных условиях:

Ca + Cl 2 CaCl 2

При нагревании на воздухе или в кислороде кальций воспламеняется и горит красным пламенем с оранжевым оттенком.

С менее активными неметаллами (водородом, бором, углеродом, кремнием, азотом, фосфором и другими) кальций вступает во взаимодействие при нагревании, например:

Кроме фосфида кальция Ca3P2 известны также фосфиды кальция составов СаР и СаР5;

Кроме силицида кальция Ca2Si известны также силициды кальция составов CaSi, Ca3Si4 и CaSi2.

Протекание указанных выше реакций, как правило, сопровождается выделением большого количества теплоты.

Кальций восстанавливает менее активные металлы из их оксидов и галогенидов

2Ca + TiO 2 2CaO + Ti

Ca + TiCl 2 2CaCl 2 + Ti

Большинство из соединений кальция с неметаллами легко разлагается водой, например:

Ион Ca2+ бесцветен. При внесении в пламя растворимых солей кальция пламя окрашивается в кирпично-красный цвет.

. Применение металлического кальция

Главное применение металлического кальция - это использование его как восстановителя при получении металлов, особенно никеля, меди и нержавеющей стали. Кальций и его гидрид используются также для получения трудновосстанавливаемых металлов, таких, как хром, торий и уран. Сплавы кальция со свинцом находят применение в аккумуляторных батареях и подшипниковых сплавах. Кальциевые гранулы используются также для удаления следов воздуха из электровакуумных приборов.

1. Металлотермия

Чистый металлический кальций широко применяется в металлотермии при получении редких металлов.

2. Легирование сплавов

Чистый кальций применяется для легирования свинца, идущего на изготовление аккумуляторных пластин, необслуживаемых стартерных свинцово-кислотных аккумуляторов с малым саморазрядом. Также металлический кальций идет на производство качественных кальциевых баббитов БКА.

3. Ядерный синтез

Изотоп 48Ca - один из эффективных и употребительных материалов для производства сверхтяжёлых элементов и открытия новых элементов таблицы Менделеева. Это связано с тем, что кальций-48 является дважды магическим ядром, поэтому его устойчивость позволяет ему быть достаточно нейтроноизбыточным для лёгкого ядра; при синтезе сверхтяжёлых ядер необходим избыток нейтронов.

. Соединения кальция

1. Оксид кальция CaO (негашеная известь, жженая известь, кипелка) белое тугоплавкое вещество.

Получают при обжиге известняка или мела при высокой температуре (выше 900 oС):

CaCO 3 = CaO + CO 2

Оксид кальция реагирует водой с образованием гашенной извести и выделением большого количества тепла:

CaO + H 2 O = Ca(OH) 2 + Q

2. Гидроксид кальция Ca(OH)2 - сильное основание, мало растворимое в воде.

Ca(OH)2 используется в различных видах:

гашеная известь - тонкий рыхлый порошок, «пушонка», получаемый при действии воды на негашеную известь CaO:

CaO + H 2 O = Ca(OH) 2

Тестообразная смесь гашеной извести с цементом, водой и песком используется в строительстве. При поглощении углекислого газа из воздуха эта смесь затвердевает:

Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 + H 2 O

известковое молоко - это взвесь частиц гашеной извести Ca(OH)2 в известковой воде.

Используется для побелки в строительстве, дезинфекции стволов деревьев, в сахарной промышленности, для дубления кож, для получения хлорной извести.

известковая вода - насыщенный водный раствор Ca(OH)2

Раствор на воздухе мутнеет за счет поглощения углекислого газа из воздуха.

Но при длительном пропускании углекислого газа раствор становится

прозрачным из-за образования растворимого гидрокарбоната кальция:

CaCO 3 + CO 2 + H 2 O = Ca(HCO 3 ) 2

В природе это приводит к следующим процессам. Когда холодная дождевая или речная вода, насыщенная углекислым газом, проникает под землю и попадает на известняки, то наблюдается их растворение, а тех же местах, где вода, насыщенная гидрокарбонатом кальция, выходит на поверхность земли и нагревается солнечными лучами.

Так в природе происходит перенос больших масс веществ. В результате под землей могут образоваться огромные провалы, а в пещерах образуются красивые каменные «сосульки» - сталактиты и сталагмиты.

3. Хлорная известь - является сильным окислителем, главной составной частью которой является соль CaOCl2, образующаяся при взаимодействии сухой гашеной извести с хлором:

Ca(OH) 2 + Cl 2 = CaOCl 2 + H 2 O

Хлорная известь - белый порошок с резким запахом, который во влажном воздухе под действием углекислого газа постепенно разлагается, выделяя хлорноватистую кислоту:

2CaOCl 2 + CO 2 + H 2 O = CaCO 3 + CaCl 2 + 2HClO

На свету хлорноватистая кислота разлагается:

2HClO = 2HCl + O 2

При действии на хлорную известь соляной кислоты выделяется хлор:

CaOCl 2 + 2HCl = CaCl 2 + Cl 2 + H 2 O

На этом основаны отбеливающие и дезинфицирующие свойства хлорной извести.

4. Гипс CaSO4·2H2O - природный минерал кальция.

При нагревании до150-180°С гипс теряет ¾ кристаллизационной воды и переходит в алебастр или жженый гипс.

2CaSO 4 *2H 2 O 2CaSO 4 *H 2 O + 3H 2 O

При смешивании с водой алебастр быстро затвердевает, снова превращается

2CaSO 4 *H 2 O + 3H 2 O 2CaSO 4 *2H 2 O

Это свойство гипса используется для изготовления отливочных форм и слепков с различных предметов, а так же в качестве вяжущего материала в строительстве для штукатурки и другие. Гипс широко используется в медицине для изготовления гипсовых повязок.

При нагревании гипса при температуре выше 180°С образуется безводный гипс (ангидрид кальция, или мертвый гипс), не способный уже присоединять воду.

CaSO 4 *2H 2 O CaSO 4 + H 2 O

Такие соли кальция, как хлорид CaCl2, бромид CaBr2, иодид CaI2 и нитрат Ca(NO3)2, хорошо растворимы в воде. Нерастворимы в воде фторид <#"justify">1. Гидрид кальция

Нагреванием кальция в атмосфере водорода <#"justify">2. Оксид кальция

Оксид кальция CaO, в составе твёрдого раствора оксидов других щёлочноземельных металлов <#"justify">3. Оптические и лазерные материалы

Фторид кальция <#"justify">4. Карбид кальция

Карбид кальция <#"justify">Оксид кальция, как в свободном виде, так и в составе керамических смесей, применяется в производстве огнеупорных материалов.

7. Строительные материалы <#"justify">Соединения кальция (в основном карбонат или гидрокарбонат) применяются для обмазок электродов в дуговой электросварке. Соединения кальция широко применяются для приготовления флюсов для плавки и сварки металлов.

9. Лекарственные средства <#"justify">Соединения кальция широко применяются в качестве антигистаминного средства.

·Хлорид кальция <#"justify">. Биологическая роль

Кальций - распространенный макроэлемент <#"312" src="doc_zip16.jpg" />

Таблица 1. Содержание кальция в некоторых продуктах питания

Продукты питания Количество продукта Содержание кальция в данном количестве продукта, мгМолоко и молотые продукты Сыр - Швейцарский, Граерский 50 г. 493 Сыр - а твердом виде, Чеддер, Колби, Эдак, Гауда 50 г. 353 Молоко - цельное, 2%, 1% жирности 1 стакан/250 мл 315 Сливки 1 стакан/ 250 мл 301 Сыр-Моцарелла, Адыгейский, брынза 50 269 Йогурт - обыкновенный 1 чашка/175 мл 292 Молоюз - сухое, в виде порошка 45 мл 159 Мороженое 1/2 чашки 93 Сыр - деревенский, сливочный 2%, 1% жирности (творог) 1/2 чашки 87Мясо, рыба, домашняя птица и другие продукты Сардины, с костями 8 маленьких 153 Лосось, с костями, консервированный 1/2 банки (масса нетто 13 г.) 153 Миндаль 1/2 чашки 200 Кунжут 1/2 чашки 100 Бобы - приготовленные (фасоль, синие бобы, пятнистые бобы) 1/2 чашки 90 Соевые бобы - приготовленные 1 чашка 175 Курица - жареная 90 г. 13 Говядина - жареная 90г 7Хлеб и зерновые Круглая булочка с отрубями 1/35 г. 50 Хлеб - белый и пшеничный 1 кусок/30 г. 25Фрукты, и овощи Брокколи - в сыром виде 1/2 чашки 38 Апельсины 1 среднего размера/180 г. 52 Бананы 1 среднего размера/175г 10 Салат 2 больших листа 8 Сушеный инжир 10 270Комбинированные блюда Супе молоком, суп в виде крема из курицы, грибов, помидоров и брокколи 1 чашка/250 мл 189 Вареная консервированная фасоль 1 чашка/250 мл 169

Заключение

Кальций - один из самых распространенных элементов на Земле.

Кальций был открыт английским химиком Хэмфри Дэви в 1808 году. Он выделил металлический кальций электролитическим путем из смеси гашеной извести и оксида ртути.

В 1789 году А. Лавуазье предложил что известь, магнезия, барит, глинозем и кремнезем - вещества сложные.

В природе его очень много. В свободном виде не встречается. Из солей кальция образованы горные массивы и глинистые породы, он есть в морской и речной воде. Он входит в состав таких минералов как мрамор (мел), алебастр, гипс, флюорит, фосфитов, апатитов и доломитов.

Кальций так же входит в состав живых организмов - во всех животных и растительных тканях, а самое главное кальций входит в состав костной ткани человека.

Кальций получают двумя способами:

1.Нагреванием смеси негашеной извести и алюминия.

2.Второй способ, как и все металлы, электролизом, в данном случае расплава CaCl2 и KCl с жидким медно-кальциевым катодом.

Кальций является мягким химически активным щелочноземельным металлом, серебристо-белого цвета.

Кальций - типичный щёлочноземельный металл <#"justify">1.И. Аскаров К. Гопиров «Основы химии» Государственное научное издательство «Узбекистон миллий энциклопедияси» Ташкент - 2013 стр. 347

2.I.R. Asqarov Sh.H. Abdullaev O. Sh. Abdullaev «Kimyo - oily o`quv yurtlariga kiruvchilar uchun» «TAFAKKUR» nashriyoti Toshkent - 2013

3.Н.Л. Глинка «Общая химия» Москва - 1988

.«Справочник школьника» Бишкек - 2000 стр. 152-156

.Г.П. Хомченко «Химия - универсальный сборник» Москва Новая Волна Издатель Умеренков - 2008 стр. 301-306

.Ф.Г. Фелбдман Г.Е. Рудзитис «Химия 9» Москва «Просвещение» - 1990 стр. 127-132

.«Универсальный справочник» Москва - 2006 стр. 648-651

8.www.google.com //ru.wikipedia.org //wiki // Кальций .

.www.google.co.ru //otherreferats.allbest.ru //chemistry .

.www.google.com //medwiki.org.ua //article // Кальций .

Репетиторство

Нужна помощь по изучению какой-либы темы?

Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.

Хотя кальций очень широко распространен на земном шаре, в свободном состоянии в природе он не встречается.

Прежде чем мы узнаем, каким образом можно получить чистый кальций, давайте познакомимся с природными соединениями кальция.

Кальций – металл. В периодической системе Менделеева кальций (Calcium), Ca имеет атомный номер 20 и расположен во II группе. Это химически активный элемент, он легко взаимодействует с кислородом. Имеет серебристо-белый цвет.

Природные соединения кальция

Соединения кальция мы встречаем практически повсюду.

Углекислый кальций, или карбонат кальция – это самое распространенное соединение кальция. Его химическая формула -СаCO 3. Мрамор, мел, известняк, ракушечник – все эти вещества содержат карбонат кальция с небольшим количеством примесей. Совсем нет примесей в кальците, формула которого также СаCO 3 .

Сернокислый кальций также называют сульфатом кальция. Химическая формула сернокислого кальция СаSO 4. Известный нам минерал гипс – это кристаллогидрат СаSO 4 · 2Н 2 О.

Фосфорнокислый кальций, иликальциевая соль ортофосфорной кислоты. Это материал, из которого построены кости людей и животных. Называется этот минерал трикальцийфосфат Са 3 (РO 4) 2.

Хлористый кальций CaCl 2, или хлорид кальция,встречается в природе в виде кристаллогидрата СаСl 2 · 6Н 2 O. При нагревании это соединение теряет молекулы воды.

Фтористый кальций CaF 2, или фторид кальция,в природе можно найти в минерале флюорите. А чистый кристаллический дифторид кальция называется плавиковый шпат.

Но не всегда природные соединения кальция обладают теми свойствами, которые нужны людям. Поэтому человек научилсяискусственно превращать такие соединения в другие вещества. Некоторые из этих искусственных соединений знакомы нам даже в большей степени, чем природные. Пример – гашеная Са(OH) 2 и негашеная известь СаО, которые применяются человеком очень давно. Многие строительные материалы, такие как цемент, карбид кальция, хлорная известь также содержат искусственные соединения кальция.

Что такое электролиз

Наверное, почти каждый из нас слышал о явлении, называемом электролизом. Мы попробуем дать простейшее описание этого процесса.

Если пропустить электрический токчерез водные растворы солей, то в результате химических превращений образуются новые химические вещества. Процессы, происходящие в растворе при пропускании через него электрического тока, и называются электролизом. Все эти процессы изучает наука, которая называется электрохимия. Конечно же, процесс электролиза может проходить только в среде, которая проводит ток. Водные растворы кислот, оснований и солей и являются такой средой. Их называют электролитами.

В электролит погружаются электроды. Отрицательно заряженный электрод называется катодом. Положительно заряженный электрод называется анодом. При прохождении электрического тока через электролит и происходит электролиз. В результате электролиза на электродах оседают составные части растворённых веществ. На катоде – положительно заряженные, на аноде – отрицательные. Но на самих электродах могут происходить вторичные реакции, в результате которых образуется вторичное вещество.

Мы видим, что с помощью электролиза химические продукты образуются без применения химических реактивов.

Как получают кальций

В промышленности кальций можно получить с помощью электролиза расплавленного хлорида кальция CaCl 2 .

CaCl 2 = Ca + Cl 2

В этом процессе ванна, сделанная их графита, является анодом. Ванна помещается в электрическую печь. Железный стержень, перемещающийся по ширине ванны, а также имеющий возможность подниматься и опускаться, является катодом. Электролитом является расплавленный хлористый кальций, который заливают в ванну. В электролит опускается катод. Так начинается процесс электролиза. Под катодом образуется расплавленный кальций. Когда катод поднимается, в месте касания с катодом кальций застывает. Так постепенно в процессе поднятия катода и происходит наращивание кальция в виде штанги. Затем кальциевую штангу отбивают от катода.

Впервые чистый кальций с помощью электролиза был получен в 1808 г.

Кальций также получают из оксидов с помощью алюминотермического восстановления.

4CaO + 2Al -> CaAl 2 O 4 + Ca

При этом кальций получается в виде пара. Затем этот пар конденсируется.

Кальций имеет высокую химическую активность. Именно поэтому он широко используется в промышленности для восстановления тугоплавких металлов из оксидов, а также в производстве стали и чугуна.

Ка́льций —элемент главной подгруппы второй группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 20. Обозначается символом Ca (лат. Calcium). Простое вещество кальций (CAS-номер: 7440-70-2) — мягкий, химически активный щёлочноземельный металл серебристо-белого цвета.

История и происхождение названия

Название элемента происходит от лат. calx (в родительном падеже calcis) — «известь», «мягкий камень». Оно было предложено английским химиком Хэмфри Дэви, в 1808 г. выделившим металлический кальций электролитическим методом. Дэви подверг электролизу смесь влажной гашёной извести с оксидом ртути HgO на платиновой пластине, которая являлась анодом. Катодом служила платиновая проволока, погруженная в жидкую ртуть. В результате электролиза получалась амальгама кальция. Отогнав из неё ртуть, Дэви получил металл, названный кальцием. Соединения кальция — известняк, мрамор, гипс (а также известь — продукт обжига известняка) применялись в строительном деле уже несколько тысячелетий назад. Вплоть до конца XVIII века химики считали известь простым телом. В 1789 году А. Лавуазье предположил, что известь, магнезия, барит, глинозём и кремнезём — вещества сложные.

Нахождение в природе

Из-за высокой химической активности кальций в свободном виде в природе не встречается.

На долю кальция приходится 3,38 % массы земной коры (5-е место по распространенности после кислорода , кремния , алюминия и железа).

Изотопы

Кальций встречается в природе в виде смеси шести изотопов: 40 Ca, 42 Ca, 43 Ca, 44 Ca, 46 Ca и 48 Ca, среди которых наиболее распространённый — 40 Ca — составляет 96,97 %.

Из шести природных изотопов кальция пять стабильны. Шестой изотоп 48 Ca, самый тяжелый из шести и весьма редкий (его изотопная распространённость равна всего 0,187 %), как было недавно обнаружено, испытывает двойной бета-распад с периодом полураспада 5,3×10 19 лет.

В горных породах и минералах

Большая часть кальция содержится в составе силикатов и алюмосиликатов различных горных пород (граниты , гнейсы и т. п.), особенно в полевом шпате — анортите Ca.

В виде осадочных пород соединения кальция представлены мелом и известняками , состоящими в основном из минерала кальцита (CaCO 3). Кристаллическая форма кальцита — мрамор — встречается в природе гораздо реже.

Довольно широко распространены такие минералы кальция, как кальцит CaCO 3 , ангидрит CaSO 4 , алебастр CaSO 4 ·0.5H 2 O и гипс CaSO 4 ·2H 2 O, флюорит CaF 2 , апатиты Ca 5 (PO 4) 3 (F,Cl,OH), доломит MgCO 3 ·CaCO 3 . Присутствием солей кальция и магния в природной воде определяется её жёсткость.

Кальций, энергично мигрирующий в земной коре и накапливающийся в различных геохимических системах, образует 385 минералов (четвёртое место по числу минералов).

Миграция в земной коре

В естественной миграции кальция существенную роль играет «карбонатное равновесие», связанное с обратимой реакцией взаимодействия карбоната кальция с водой и углекислым газом с образованием растворимого гидрокарбоната:

СаСО 3 + H 2 O + CO 2 ↔ Са (НСО 3) 2 ↔ Ca 2+ + 2HCO 3 -

(равновесие смещается влево или вправо в зависимости от концентрации углекислого газа).

Огромную роль играет биогенная миграция.

В биосфере

Соединения кальция находятся практически во всех животных и растительных тканях (см. тж. ниже). Значительное количество кальция входит в состав живых организмов. Так, гидроксиапатит Ca 5 (PO 4) 3 OH, или, в другой записи, 3Ca 3 (PO 4) 2 ·Са(OH) 2 — основа костной ткани позвоночных, в том числе и человека; из карбоната кальция CaCO 3 состоят раковины и панцири многих беспозвоночных, яичная скорлупа и др. В живых тканях человека и животных 1,4-2 % Са (по массовой доле); в теле человека массой 70 кг содержание кальция — около 1,7 кг (в основном в составе межклеточного вещества костной ткани).

Получение

Свободный металлический кальций получают электролизом расплава, состоящего из CaCl 2 (75-80 %) и KCl или из CaCl 2 и CaF 2 , а также алюминотермическим восстановлением CaO при 1170—1200 °C:

4CaO + 2Al = CaAl 2 O 4 + 3Ca.

Свойства

Физические свойства

Металл кальций существует в двух аллотропных модификациях . До 443 °C устойчив α-Ca с кубической гранецентрированной решеткой (параметр а = 0,558 нм), выше устойчив β-Ca с кубической объемно-центрированной решеткой типа α-Fe (параметр a = 0,448 нм). Стандартная энтальпия ΔH 0 перехода α → β составляет 0,93 кДж/моль.

Химические свойства

В ряду стандартных потенциалов кальций расположен слева от водорода . Стандартный электродный потенциал пары Ca 2+ /Ca 0 −2,84 В, так что кальций активно реагирует с водой, но без воспламенения:

Ca + 2Н 2 О = Ca(ОН) 2 + Н 2 + Q.

Наличие в воде растворенного гидрокарбоната кальция во многом определяет временную жёсткость воды. Временной её называют потому, что при кипячении воды гидрокарбонат разлагается, и в осадок выпадает СаСО 3 . Это явление приводит, например, к тому, что в чайнике со временем образуется накипь .

Применение

Применение металлического кальция

Главное применение металлического кальция — это использование его как восстановителя при получении металлов, особенно никеля, меди и нержавеющей стали. Кальций и его гидрид используются также для получения трудновосстанавливаемых металлов, таких, как хром , торий и уран . Сплавы кальция со свинцом находят применение в аккумуляторных батареях и подшипниковых сплавах. Кальциевые гранулы используются также для удаления следов воздуха из электровакуумных приборов.

Металлотермия

Чистый металлический кальций широко применяется в металлотермии при получении редких металлов.

Легирование сплавов

Чистый кальций применяется для легирования свинца , идущего на изготовление аккумуляторных пластин, необслуживаемых стартерных свинцово-кислотных аккумуляторов с малым саморазрядом. Также металлический кальций идет на производство качественных кальциевых баббитов БКА.

Ядерный синтез

Изотоп 48 Ca — наиболее эффективный и употребительный материал для производства сверхтяжёлых элементов и открытия новых элементов таблицы Менделеева . Например, в случае использования ионов 48 Ca для получения сверхтяжёлых элементов на ускорителях ядра этих элементов образуются в сотни и тысячи раз эффективней, чем при использовании других «снарядов» (ионов).) применяется в виде и для восстановления металлов, а также при получении цианамида кальция (нагреванием карбида кальция в азоте при 1200 °C , реакция идет экзотермически, проводится в цианамидных печах).

Кальций, а также его сплавы с алюминием и магнием используются в резервных тепловых электрических батареях в качестве анода(например кальций-хроматный элемент). Хромат кальция используется в таких батареях в качестве катода. Особенность таких батарей — чрезвычайно долгий срок хранения (десятилетия) в пригодном состоянии, возможность эксплуатации в любых условиях (космос, высокие давления), большая удельная энергия по весу и объёму. Недостаток в недолгом сроке действия. Такие батареи используются там, где необходимо на короткий срок создать колоссальную электрическую мощность (баллистические ракеты, некоторые космические аппараты и.др.).

Кроме того, соединения кальция вводят в состав препаратов для профилактики остеопороза , в витаминные комплексы для беременных и пожилых.-

Биологическая роль кальция

Кальций — распространенный макроэлемент в организме растений, животных и человека. В организме человека и других позвоночных большая его часть содержится в скелете и зубах в виде фосфатов. Из различных форм карбоната кальция (извести) состоят скелеты большинства групп беспозвоночных (губки, коралловые полипы, моллюски и др.). Ионы кальция участвуют в процессах свертывания крови, а также в обеспечении постоянного осмотического давления крови. Ионы кальция также служат одним из универсальных вторичных посредников и регулируют самые разные внутриклеточные процессы — мышечное сокращение, экзоцитоз, в том числе секрецию гормонов и нейромедиаторов и др. Концентрация кальция в цитоплазме клеток человека составляет около 10−7 моль, в межклеточных жидкостях около 10−3 моль.

Потребность в кальции зависит от возраста. Для взрослых необходимая дневная норма составляет от 800 до 1000 миллиграммов (мг), а для детей от 600 до 900 мг, что для детей очень важно из-за интенсивного роста скелета. Большая часть кальция, поступающего в организм человека с пищей, содержится в молочных продуктах, оставшийся кальций приходится на мясо, рыбу, и некоторые растительные продукты (особенно много содержат бобовые). Всасывание происходит как в толстом, так и тонком кишечнике и облегчается кислой средой, витамином Д и витамином С, лактозой, ненасыщеными жирными кислотами. Немаловажна роль магния в кальциевом обмене, при его недостатке кальций «вымывается» из костей и осаждается в почках (почечные камни) и мышцах.

Усваиванию кальция препятствуют аспирин, щавелевая кислота, производные эстрогенов. Соединияясь с щавелевой кислотой, кальций дает нерастворимые в воде соединения, которые являются компонентами камней в почках.

Содержания кальция в крови из-за большого количества связанных с ним процессов точно регулируется, и при правильном питании дефицита не возникает. Продолжительное отсутствие в рационе может вызвать судороги, боль в суставах, сонливость, дефекты роста, а также запоры. Более глубокий дефицит приводит к постоянным мышечным судорогам и остеопорозу. Злоупотребление кофе и алкоголем могут быть причинами дефицита кальция, так как часть его выводится с мочой.

Избыточные дозы кальция и витамина Д могут вызвать гиперкальцемию, после которой следует интенсивная кальцификация костей и тканей (в основном затрагивает мочевыделительную систему). Продолжительный переизбыток нарушает функционирование мышечных и нервных тканей, увеличивает свертываемость крови и уменьшает усвояемость цинка клетками костной ткани. Максимальная дневная безопасная доза составляет для взрослого от 1500 до 1800 миллиграмм.