Описание элемента кальций. Кальций

Соединения кальция.

СаО – оксид кальция или негашеная извасть, получают его разложением известняка: СаСО 3 =СаО + СО 2 – это оксид щелочноземельного металла, поэтому он активно взаимодействует с водой: СаО + Н 2 О = Са(ОН) 2

Са(ОН) 2 – гидроксид кальция или гашеная известь, поэтому реакция СаО + Н 2 О = Са(ОН) 2 называется гашением извести. Если раствор профильтровать, получается известковая вода – это раствор щелочи, поэтому он изменяет окраску фенолфталеина в малиновый цвет.

Широко в строительстве применяется гашеная известь. Ее смесь с песком и водой - хороший связывающий материал. Под действием углекислого газа смесь отвердевает Са(ОН) 2 + CO 2 = СаСОз +Н 2 О.

Одновременно часть песка и смеси превращается в силикат Ca(OH) 2 +SiO 2 = CaSiO 3 +H 2 O.

Уравнения Са (ОН) 2 + СО 2 = СаСО 2 +Н 2 О и СаСО 3 +Н 2 О + СО 2 = Са(НСО 3) 2 играют большую роль в природе и в формировании облика нашей планеты. Углекислый газ в образе ваятеля и зодчего создает подземные дворцы в толщах карбонатных пород. Он способен под землей перемещать сотни и тысячи тонн известняка. По трещинам в горных породах вода , содержащая растворенный в ней углекислый газ, попадает в толщу известняка, образуя полости - кастровые пещеры. Гидрокарбонат кальция существует только в растворе. Грунтовые воды перемещаются в земной коре, испаряя в подходящих условиях воду : Са(НСОз) 2 = СаСОз + Н 2 О + СО 2 , так образуются сталактиты и сталагмиты, схема образования которых предложена известным геохимиком А.Е. Ферсманом. Очень много кастровых пещер в Крыму. Их изучением занимается наука спелеология .

Применяется в строительстве карбонат кальция СаСОз - это мел, известняк, мрамор. Все вы видели наш железнодорожный вокзал: он отделан белым мрамором, привезенным из-за границы.

опыт: дуть через трубку в раствор известковой воды, она мутнеет.

Са(ОН) 2 + СО 2 = СаСО 3 + Н 2 О

Приливает к образовавшемуся осадку уксусную кислоту, наблюдается вскипание, т.к. выделяется углекислый газ.

СаСО 3 +2СН 3 СООН = Са(СН 3 СОО) 2 +Н 2 О +СО 2

СКАЗКА О БРАТЬЯХ КАРБОНАТАХ.

На земле живут три брата
Из семейства Карбонатов.
Старший брат - красавец МРАМОР,
Славен именем Карары,
Превосходный зодчий. Он
Строил Рим и Парфенон.
Всем известен ИЗВЕСТНЯК,
Потому и назван так.
Знаменит своим трудом,
Возводя за домом дом.
И способен, и умел
Младший мягкий братец МЕЛ.
Как рисует, посмотри,
Этот СаСО 3 !
Любят братья порезвиться,
В жаркой печке прокалиться ,
СаО да СО 2 образуются тогда.
Это углекислый газ,
Каждый с ним знаком из вас,
Выдыхаем мы его.
Ну, а это СаО -
Жарко обожжённая ИЗВЕСТЬ НЕГАШЁНАЯ.
Добавляем к ней воды,
Тщательно мешая,
Чтобы не было беды,
Руки защищаем,
Круто замешённая ИЗВЕСТЬ, но ГАШЁНАЯ!
Известковым молоком
Стены белятся легко.
Светлый дом повеселел,
Превратив извёстку в мел.
Фокус-покус для народа:
Стоит лишь подуть сквозь воду,
Как она легко-легко
Превратилась в молоко!
А теперь довольно ловко
Получаю газировку:
Молоко плюс уксус. Ай!
Льётся пена через край!
Всё в заботах, всё в работе
От зари и до зари –
Эти братья Карбонаты,
Эти СаСО 3 !

Повторение: CaO – оксид кальция, негашеная известь;
Ca(OH) 2 – гидроксид кальция (гашеная известь, известковая вода, известковое молоко в зависимости от концентрации раствора).
Общее – одна и та же химическая формула Са(ОН) 2 . Отличие: известковая вода – прозрачный насыщенный раствор Са(ОН) 2 , а известковое молоко – это белая взвесь Са(ОН) 2 в воде.
CaCl 2 - хлорид кальция, хлористый кальций;
CaCO 3 – карбонат кальция, мел, мрамор ракушечник, известняк.
Л/Р: коллекции. Далее демонстрируем коллекцию имеющихся в школьной лаборатории минералов : известняк, мел, мрамор, ракушечник.
CaS0 4 ∙ 2H 2 0 - кристаллогидрат сульфата кальция, гипс;
CaCO 3 - кальцит, карбонат кальция входит в состав многих минералов, которые покрывают на земле 30 млн км 2 .

Самый важный из этих минералов – известняк . Ракушечники, известняки органического происхождения. Он идет на производство цемента, карбида кальция, соды, всех видов извести, в металлургии. Известняк – это основа строительной индустрии, из него делают многие строительные материалы.

Мел это не только зубной порошок и школьный мел. Это и ценная добавка при производстве бумаги (мелованная – высшего качества) и резины; в строительстве и ремонте зданий – в качестве побелки.

Мрамор – плотная кристаллическая порода. Есть цветной – белый, но чаще всего различные примеси окрашивают его в различные цвета . Чистый белый мрамор встречается редко и в основном идет на работу скульпторам (статуи Микеланджело, Родена. В строительстве цветной мрамор используют как облицовочный материал (Московское метро) или даже в качестве основного строительного материала дворцов (Тадж-Махал).

В мире интересного «МАВЗОЛЕЙ “Тадж-Махал”»

Шах – Джахан из династии Великих Моголов держал в страхе и повиновении едва ли не всю Азию. В 1629 году умерла Мумзат-Махал, любимая жена Шах-Джахана в 39 лет во время родов в походе (это был их 14 ребенок, причем все были мальчики). Она была необыкновенно красива, светла, умна, император во всем ее слушался. Перед смертью она просила мужа построить гробницу, заботится о детях, не жениться. Опечаленный царь посланцев своих отправил во все большие города, столицы соседних государств – в Бухару, Самарканд, Багдад, Дамаск, чтобы разыскать и пригласить лучших мастеров – в память о жене царь решил возвести лучшее в мире здание. Одновременно гонцы отправили в Агру (Индия) планы всех лучших сооружений Азии и лучшие строительные материалы. Везли даже из России и Урала малахит. Главные каменщики приехали из Дели и Кандагара; архитекторы – из Стамбула, Самарканда; декораторы – из Бухары; садоводы – из Бенгалии; художники – из Дамаска и Багдада, а руководил всем известный мастер Устад-Иса.

Совместными усилиями за 25 лет было построено меломраморное сооружение в окружении зеленых садов, голубых фонтанов и мечети из красного песчаника . 20000 рабов возводили это чудо 75 м (с25-этажный дом). Неподалеку хотел построить второй мавзолей из черного мрамора для себя, но не успел. Его сверг с престола родной сын (2-ой, причем он же убил и всех своих братьев).

Последние годы жизни правитель и повелитель Агры провел, смотря из узкого окошка своей темницы. 7 лет так отец любовался своим творением. Когда отец ослеп, сын сделал ему систему зеркал, чтобы отец мог любоваться мавзолеем. Похоронен он был в Тадж-Махале, рядом со своей Мумтаз.

Входящие в мавзолей видят кенотафы - ложные гробницы. Места вечного упокоения великого хана и его жены находятся внизу, в подвале. Там все инкрустировано драгоценными камнями, которые светятся, будто живые, а ветви сказочных деревьев, переплетаясь с цветами, причудливыми узорами украшают стены гробницы. Обработанные лучшими резчиками бирюзово-голубые лазуриты, зелено-черные нефриты и красные аметисты воспевают любовь Шах-Джахала и Мумзат-Махал.

Ежедневно в Агру спешат туристы , желающие увидеть истинное чудо света – мавзолей Тадж-Махал, будто парящий над землей.

CaCO 3 – это строительный материал наружного скелета моллюсков, кораллов, ракушек и др., скорлупы яиц. (иллюстрации или Животные кораллового биоценоза” и показ коллекции морских кораллов, губок, ракушечника) .

Ка́льций - элемент главной подгруппы второй группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов , 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.

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.

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.
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 (т. е. параллели в периодической системе сохраняются).

Химические свойства

Кальций - типичный щелочноземельный металл. Химическая активность кальция высока, но ниже, чем всех других щелочноземельных 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 щелочноземельные металлы, в плотно закрытой банке под слоем керосина или жидкого парафина.

Кальций

КА́ЛЬЦИЙ -я; м. [от лат. calx (calcis) - известь] Химический элемент (Ca), металл серебристо-белого цвета, входящий в состав известняков, мрамора и др.

◁ Ка́льциевый, -ая, -ое. К-ые соли.

ка́льций

(лат. Calcium), химическая элемент II группы периодической системы, относится к щёлочноземельным металлам. Название от лат. calx, родительный падеж calcis - известь. Серебристо-белый металл, плотность 1,54 г/см 3 , t пл 842ºC. При обычной температуре легко окисляется на воздухе. По распространённости в земной коре занимает 5-е место (минералы кальцит, гипс, флюорит и др.). Как активный восстановитель служит для получения U, Th, V, Cr, Zn, Be и других металлов из их соединений, для раскисления сталей, бронз и т. д. Входит в состав антифрикционных материалов. Соединения калькия применяют в строительстве (известь, цемент), препараты кальция - в медицине.

КАЛЬЦИЙ

КА́ЛЬЦИЙ (лат. Calcium), Ca (читается «кальций»), химический элемент с атомным номером 20, расположен в четвертом периоде в группе IIА периодической системы элементов Менделеева; атомная масса 40,08. Относится к числу щелочноземельных элементов (см. ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНЫЕ МЕТАЛЛЫ) .
Природный кальций состоит из смеси нуклидов (см. НУКЛИД) с массовыми числами 40 (в смеси по массе 96,94 %), 44 (2,09%), 42 (0,667%), 48 (0,187%), 43 (0,135%) и 46 (0,003%). Конфигурация внешнего электронного слоя 4s 2 . Практически во всех соединениях степень окисления кальция +2 (валентность II).
Радиус нейтрального атома кальция 0,1974 нм, радиус иона Cа 2+ от 0,114 нм (для координационного числа 6) до 0,148 нм (для координационного числа 12). Энергии последовательной ионизации нейтрального атома кальция равны, соответственно, 6,133, 11,872, 50,91, 67,27 и 84,5 эВ. По шкале Полинга электроотрицательность кальция около 1,0. В свободном виде кальций - серебристо-белый металл.
История открытия
Соединения кальция встречаются в природе повсеместно, поэтому человечество знакомо с ними с древнейших времен. Издавна в строительном деле находила применение известь (см. ИЗВЕСТЬ) (негашеная и гашеная), которую долгое время считали простым веществом, «землей». Однако в 1808 английский ученый Г. Дэви (см. ДЭВИ Гемфри) сумел получить из извести новый металл. Для этого Дэви подверг электролизу смесь слегка увлажненной гашеной извести с окисью ртути и выделил из образующейся на ртутном катоде амальгамы новый металл, который он назвал кальцием (от лат. calx, род. падеж calcis - известь). В России некоторое время этот металл называли «известковием».
Нахождение в природе
Кальций - один из наиболее распространенных на Земле элементов. На его долю приходится 3,38% массы земной коры (5-е место по распространенности после кислорода, кремния, алюминия и железа). Из-за высокой химической активности кальций в свободном виде в природе не встречается. Большая часть кальция содержится в составе силикатов (см. СИЛИКАТЫ) и алюмосиликатов (см. АЛЮМОСИЛИКАТЫ) различных горных пород (граниты (см. ГРАНИТ) , гнейсы (см. ГНЕЙС) и т. п.). В виде осадочных пород соединения кальция представлены мелом и известняками, состоящими в основном из минерала кальцита (см. КАЛЬЦИТ) (CaCO 3). Кристаллическая форма кальцита - мрамор - встречается в природе гораздо реже.
Довольно широко распространены такие минералы кальция, как известняк (см. ИЗВЕСТНЯК) СaCO 3 , ангидрит (см. АНГИДРИТ) CaSO 4 и гипс (см. ГИПС) CaSO 4 ·2H 2 O, флюорит (см. ФЛЮОРИТ) CaF 2 , апатиты (см. АПАТИТЫ) Ca 5 (PO 4) 3 (F,Cl,OH), доломит (см. ДОЛОМИТ) MgCO 3 ·СaCO 3 . Присутствием солей кальция и магния в природной воде определяется ее жесткость (см. ЖЕСТКОСТЬ ВОДЫ) . Значительное количество кальция входит в состав живых организмов. Так, гидроксилапатит 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.
Получение
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.
Физические и химические свойства
Металл кальций существует в двух аллотропных модификациях (см. Аллотропия (см. АЛЛОТРОПИЯ) ). До 443 °C устойчив a-Ca с кубической гранецентрированной решеткой (параметр а = 0,558 нм), выше устойчив b-Ca с кубической объемно центрированной решеткой типа a-Fe (параметр a = 0,448 нм). Температура плавления кальция 839 °C, температура кипения 1484 °C, плотность 1,55 г/см 3 .
Химическая активность кальция высока, но ниже, чем всех других щелочноземельных 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 щелочноземельные металлы, в плотно закрытой банке под слоем керосина.
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:
Ca + 2Н 2 О = Ca(ОН) 2 + Н 2 .
С активными неметаллами (кислородом, хлором, бромом) кальций реагирует при обычных условиях:
2Са + О 2 = 2СаО; Са + Br 2 = CaBr 2 .
При нагревании на воздухе или в кислороде кальций воспламеняется. С менее активными неметаллами (водородом, бором, углеродом, кремнием, азотом, фосфором и другими) кальций вступает во взаимодействие при нагревании, например:
Са + Н 2 = СаН 2 (гидрид кальция),
Ca + 6B = CaB 6 (борид кальция),
3Ca + N 2 = Ca 3 N 2 (нитрид кальция)
Са + 2С = СаС 2 (карбид кальция)
3Са + 2Р = Са 3 Р 2 (фосфид кальция), известны также фосфиды кальция составов СаР и СаР 5 ;
2Ca + Si = Ca 2 Si (силицид кальция), известны также силициды кальция составов CaSi, Ca 3 Si 4 и CaSi 2 .
Протекание указанных выше реакций, как правило, сопровождается выделением большого количества теплоты (т. е. эти реакции - экзотермические). Во всех соединениях с неметаллами степень окисления кальция +2. Большинство из соединений кальция с неметаллами легко разлагается водой, например:
СаН 2 + 2Н 2 О = Са(ОН) 2 + 2Н 2 ,
Ca 3 N 2 + 3Н 2 О = 3Са(ОН) 2 + 2NН 3 .
Оксид кальция - типично основной. В лаборатории и технике его получают термическим разложением карбонатов:
CaCO 3 = CaO + CO 2 .
Технический оксид кальция СаО называется негашеной известью.
Он реагирует с водой с образованием Ca(ОН) 2 и выделением большого количества теплоты:
CaО + Н 2 О = Ca(ОН) 2 .
Полученный таким способом Ca(ОН) 2 обычно называют гашеной известью или известковым молоком (см. ИЗВЕСТКОВОЕ МОЛОКО) из-за того, что растворимость гидроксида кальция в воде невелика (0,02 моль/л при 20°C), и при внесении его в воду образуется белая суспензия.
При взаимодействии с кислотными оксидами CaO образует соли, например:
CaО +СО 2 = СаСО 3 ; СаО + SO 3 = CaSO 4 .
Ион Ca 2+ бесцветен. При внесении в пламя солей кальция пламя окрашивается в кирпично-красный цвет.
Такие соли кальция, как хлорид CaCl 2 , бромид CaBr 2 , иодид CaI 2 и нитрат Ca(NO 3) 2 , хорошо растворимы в воде. Нерастворимы в воде фторид CaF 2 , карбонат CaCO 3 , сульфат CaSO 4 , средний ортофосфат Ca 3 (PO 4) 2 , оксалат СаС 2 О 4 и некоторые другие.
Важное значение имеет то обстоятельство, что в отличие от среднего карбоната кальция СаСО 3 кислый карбонат кальция (гидрокарбонат) Са(НСО 3) 2 в воде растворим. 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:
СаСО 3 + СО 2 + Н 2 О = Са(НСО 3) 2 .
В тех же местах, где вода, насыщенная гидрокарбонатом кальция, выходит на поверхность земли и нагревается солнечными лучами, протекает обратная реакция:
Са(НСО 3) 2 = СаСО 3 + СО 2 + Н 2 О.
Так в природе происходит перенос больших масс веществ. В результате под землей могут образоваться огромные провалы (см. Карст (см. КАРСТ (явление природы)) ), а в пещерах образуются красивые каменные «сосульки» - сталактиты (см. СТАЛАКТИТЫ (минеральные образования)) и сталагмиты (см. СТАЛАГМИТЫ) .
Наличие в воде растворенного гидрокарбоната кальция во многом определяет временную жесткость воды (см. ЖЕСТКОСТЬ ВОДЫ) . Временной ее 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 кальция и его соединений
Металлический кальций применяют для металлотермического получения урана (см. УРАН (химический элемент)) , тория (см. ТОРИЙ) , титана (см. ТИТАН (химический элемент)) , циркония (см. ЦИРКОНИЙ) , цезия (см. ЦЕЗИЙ) и рубидия (см. РУБИДИЙ) .
Природные соединения кальция широко используют в производстве вяжущих материалов (цемент (см. ЦЕМЕНТ) , гипс (см. ГИПС) , известь и др.). Связывающее действие гашеной извести основано на том, что с течением времени гидроксид кальция реагирует с углекислым газом воздуха. В результате протекающей реакции образуются игольчатые кристаллы кальцита СаСО з, которые прорастают в расположенные рядом камни, кирпичи, другие строительные материалы и как бы сваривают их в единое целое. Кристаллический карбонат кальция - мрамор - прекрасный отделочный материал. Мел используют для побелки. Большие количества известняка расходуются при производстве чугуна, так как позволяют перевести тугоплавкие примеси железной руды (например, кварц SiO 2) в сравнительно легкоплавкие шлаки.
В качестве дезинфицирующего средства очень эффективна хлорная известь (см. ХЛОРНАЯ ИЗВЕСТЬ) - «хлорка» Ca(OCl)Cl - смешанный хлорид и гипохлорид кальция (см. КАЛЬЦИЯ ГИПОХЛОРИТ) , обладающий высокой окислительной способностью.
Широко применяется и сульфат кальция, существующий как в виде безводного соединения, так и в виде кристаллогидратов - так называемого «полуводного» сульфата - алебастра (см. АЛЕВИЗ ФРЯЗИН (Миланец)) CaSO 4 ·0,5H 2 O и двухводного сульфата - гипса CaSO 4 ·2H 2 O. Гипс широко используют в строительстве, в скульптуре, для изготовления лепнины и различных художественных изделий. Применяют гипс и в медицине для фиксации костей при переломах.
Хлорид кальция CaCl 2 используют наряду с поваренной солью для борьбы с оледенением дорожных покрытий. Фторид кальция СаF 2 - прекрасный оптический материал.
Кальций в организме
Кальций - биогенный элемент (см. БИОГЕННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ) , постоянно присутствующий в тканях растений и животных. Важный компонент минерального обмена животных и человека и минерального питания растений, кальций выполняет в организме разнообразные функции. В составе апатита (см. АПАТИТ) , а также сульфата и карбоната кальций образует минеральный компонент костной ткани. В организме человека массой 70 кг содержится около 1 кг кальция. Кальций участвует в работе ионных каналов (см. ИОННЫЕ КАНАЛЫ) , осуществляющих транспорт веществ через биологические мембраны, в передаче нервного импульса (см. НЕРВНЫЙ ИМПУЛЬС) , в процессах свертывания крови (см. СВЕРТЫВАНИЕ КРОВИ) и оплодотворения. Регулируют обмен кальция в организме кальциферолы (см. КАЛЬЦИФЕРОЛЫ) (витамин D). Недостаток или избыток кальция приводит к различным заболеваниям - рахиту (см. РАХИТ) , кальцинозу (см. КАЛЬЦИНОЗ) и др. Поэтому пища человека должна в нужных количествах содержать соединения кальция (800-1500 мг кальция в сутки). Содержание кальция высоко в молочных продуктах (таких, как творог, сыр, молоко), в некоторых овощах и других продуктах питания. Препараты кальция широко используются в медицине.

Энциклопедический словарь . 2009 .

Синонимы :

Кальций - 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 - мягкий, химически активный щёлочноземельный металл серебристо-белого цвета.

Кальций в окружающей среде

В природе его очень много: из солей кальция образованы горные массивы и глинистые породы, он есть в морской и речной воде, входит в состав растительных и животных организмов. На долю кальция приходится 3,38 % массы земной коры (5-е место по распространенности после кислорода, кремния, алюминия и железа).

Изотопы кальция

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.

Содержание кальция 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 кальция 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.

Содержание кальция 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 кальция

Кальций впервые получен Дэви в 1808 г. с помощью электролиза. Но, как и другие щелочные и щелочноземельные металлы, элемент №20 нельзя получить электролизом из водных растворов. Кальций получают при электролизе его расплавленных солей.

Это сложный и энергоемкий процесс. В электролизере расплавляют хлорид кальция с добавками других солей (они нужны для того, чтобы снизить температуру плавления СаСl 2).

Стальной катод только касается поверхности электролита; выделяющийся кальций прилипает и застывает на нем. По мере выделения кальция катод постепенно поднимают и в конечном счете получают кальциевую «штангу» длиной 50...60 см. Тогда ее вынимают, отбивают от стального катода и начинают процесс сначала. «Методом касания» получают кальций сильно загрязненный хлористым кальцием, железом, алюминием, натрием. Очищают его переплавкой в атмосфере аргона.

Если стальной катод заменить катодом из металла, способного сплавляться с кальцием, то при электролизе будет получаться соответствующий сплав. В зависимости от назначения его можно использовать как сплав, либо отгонкой в вакууме получить чистый кальций. Так получают сплавы кальция с цинком, свинцом и медью.

Другой метод получения кальция – металлотермический – был теоретически обоснован еще в 1865 г. известным русским химиком Н.Н. Бекетовым. Кальций восстанавливают алюминием при давлении всего в 0,01 мм ртутного столба. Температура процесса 1100...1200°C. Кальций получается при этом в виде пара, который затем конденсируют.

В последние годы разработан еще один способ получения элемента. Он основан на термической диссоциации карбида кальция: раскаленный в вакууме до 1750°C карбид разлагается с образованием паров кальция и твердого графита.

Физические свойства кальция

При постепенном повышении давления начинает проявлять свойства полупроводника, 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.

Несмотря на повсеместную распространенность элемента, даже химики и то не все видели элементарный кальций. А ведь этот металл и внешне и по поведению совсем непохож на щелочные металлы, общение с которыми чревато опасностью пожаров и ожогов. Его можно спокойно хранить на воздухе, он не воспламеняется от воды. Механические свойства элементарного кальция не делают его «белой вороной» в семье металлов: по прочности и твердости кальций превосходит многие из них; его можно обтачивать на токарном станке, вытягивать в проволоку, ковать, прессовать.

И все-таки в качестве конструкционного материала элементарный кальций почти не применяется. Для этого он слишком активен. Кальций легко реагирует с кислородом, серой, галогенами. Даже с азотом и водородом при определенных условиях он вступает в реакции. Среда окислов углерода, инертная для большинства металлов, для кальция – агрессивная. Он сгорает в атмосфере CO и CO 2 .

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.

Химические свойства кальция

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.

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

2Са + О 2 = 2СаО, Са + Br 2 = CaBr 2 .

При нагревании на воздухе или в кислороде кальций воспламеняется. С менее активными неметаллами (водородом, бором, углеродом, кремнием, азотом, фосфором и другими) кальций вступает во взаимодействие при нагревании, например:

Са + Н 2 = СаН 2 , Ca + 6B = CaB 6 ,

3Ca + N 2 = Ca 3 N 2 , Са + 2С = СаС 2 ,

3Са + 2Р = Са 3 Р 2 (фосфид кальция), известны также фосфиды кальция составов СаР и СаР 5 ;

2Ca + Si = Ca 2 Si (силицид кальция), известны также силициды кальция составов CaSi, Ca 3 Si 4 и CaSi 2 .

Протекание указанных выше реакций, как правило, сопровождается выделением большого количества теплоты (то есть эти реакции - экзотермические). Во всех соединениях с неметаллами степень окисления кальция +2. Большинство из соединений кальция с неметаллами легко разлагается водой, например:

СаН 2 + 2Н 2 О = Са(ОН) 2 + 2Н 2 ,

Ca 3 N 2 + 3Н 2 О = 3Са(ОН) 2 + 2NH 3 .

Ион Ca 2+ бесцветен. При внесении в пламя растворимых солей кальция пламя окрашивается в кирпично-красный цвет.

Такие соли кальция, как хлорид CaCl 2 , бромид CaBr 2 , иодид CaI 2 и нитрат Ca(NO 3) 2 , хорошо растворимы в воде. Нерастворимы в воде фторид CaF 2 , карбонат CaCO 3 , сульфат CaSO 4 , ортофосфат Ca 3 (PO 4) 2 , оксалат СаС 2 О 4 и некоторые другие.

Важное значение имеет то обстоятельство, что, в отличие от карбоната кальция СаСО 3 , кислый карбонат кальция (гидрокарбонат) Са(НСО 3) 2 в воде растворим. 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:

СаСО 3 + СО 2 + Н 2 О = Са(НСО 3) 2 .

В тех же местах, где вода, насыщенная гидрокарбонатом кальция, выходит на поверхность земли и нагревается солнечными лучами, протекает обратная реакция:

Са(НСО 3) 2 = СаСО 3 + СО 2 + Н 2 О.

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.

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 кальция

До последнего времени металлический кальций почти не находил применения. США, например, до второй мировой войны потребляли в год всего 10...25 т кальция, Германия – 5...10 т. Но для развития новых областей техники нужны многие редкие и тугоплавкие металлы. Выяснилось, что кальции – очень удобный и активный восстановитель многих из них, и элемент стали применять при получении тория, ванадия, циркония, бериллия, ниобия, урана, тантала и других тугоплавких металлов. Чистый металлический кальций широко применяется в металлотермии при получении редких металлов.

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.

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.

Природный мел в виде порошка входит в составы для полировки металлов. Но чистить зубы порошком из природного мела нельзя, так как он содержит остатки раковин и панцирей мельчайших животных, которые обладают повышенной твердостью и разрушают зубную эмаль.

Использование кальция в ядерном синтезе

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). Радиоактивный кальций широко используют в биологии и медицине в качестве изотопного индикатора при изучении процессов минерального обмена в живом организме. С его помощью установлено, что в организме происходит непрерывный обмен ионами кальция между плазмой, мягкими тканями и даже костной тканью. Большую роль сыграл 45 Са также при изучении обменных процессов, происходящих в почвах, и при исследовании процессов усвоения кальция растениями. С помощью этого же изотопа удалось обнаружить источники загрязнения стали и сверхчистого железа соединениями кальция в процессе выплавки.

Способность кальция связывать кислород и азот позволила применить его для очистки инертных газов и как геттер (Геттер – вещество, служащее для поглощения газов и создания глубокого вакуума в электронных приборах.) в вакуумной радиоаппаратуре.

Применение соединений кальция

Некоторые соединения кальция, получаемые искусственным путем, стали даже более известными и привычными, чем известняки или гипс. Так, гашеную Са(OH) 2 и негашеную СаО известь применяли еще строители древности.

Цемент – это тоже соединение кальция, полученное искусственным путем. Сначала обжигают смесь глины или песка с известняком и получают клинкер, который затем размалывают в тонкий серый порошок. О цементе (вернее, о цементах) можно рассказывать очень много, это тема самостоятельной статьи.

То же самое относится и к стеклу, в состав которого тоже обычно входит элемент.

Гидрид кальция

Нагреванием кальция в атмосфере водорода получают CaH 2 (гидрид кальция), используемый в металлургии (металлотермии) и при получении водорода в полевых условиях.

Оптические и лазерные материалы

Фторид кальция (флюорит) применяется в виде монокристаллов в оптике (астрономические объективы, линзы, призмы) и как лазерный материал. Вольфрамат кальция (шеелит) в виде монокристаллов применяется в лазерной технике, а также как сцинтиллятор.

Карбид кальция

Карбид кальция – вещество, открытое случайно при испытании новой конструкции печи. Еще недавно карбид кальция CaCl 2 использовали главным образом для автогенной сварки и резки металлов. При взаимодействии карбида с водой образуется ацетилен, а горение ацетилена в струе кислорода позволяет получать температуру почти 3000°C. В последнее время ацетилен, а вместе с ним и карбид все меньше расходуются для сварки и все больше – в химической промышленности.

Кальций как химический источник тока

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.).

Огнеупорные материалы из кальция

Оксид кальция, как в свободном виде, так и в составе керамических смесей, применяется в производстве огнеупорных материалов.

Лекарственные средства

Соединения кальция широко применяются в качестве антигистаминного средства.

Хлорид кальция
Глюконат кальция
Глицерофосфат кальция

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

Кальций в организме человека

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.). 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).

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

Избыточные дозы кальция и витамина Д могут вызвать гиперкальцемию, после которой следует интенсивная кальцификация костей и тканей (в основном затрагивает мочевыделительную систему). Максимальная дневная безопасная доза составляет для взрослого от 1500 до 1800 миллиграмм.

Кальций в жёсткой воде

Комплекс свойств, определяемых одним словом «жесткость», воде придают растворенные в ней соли кальция и магния. Жесткая вода непригодна во многих случаях жизни. Она образует слой накипи в паровых котлах и котельных установках, затрудняет окраску и стирку тканей, но годится для варки мыла и приготовления эмульсий в парфюмерном производстве. Поэтому раньше, когда способы умягчения воды были несовершенны, текстильные и парфюмерные предприятия обычно размещались поблизости от источников «мягкой» воды.

Различают жесткость временную и постоянную. Временную (или карбонатную) жесткость придают воде растворимые гидрокарбонаты Са(НCO 3) 2 и Mg(HCO 3) 2 . Устранить ее можно простым кипячением, при котором гидрокарбонаты превращаются в нерастворимые в воде карбонаты кальция и магния.

Постоянная жесткость создается сульфатами и хлоридами тех же металлов. И ее можно устранить, но сделать это намного сложнее.

Сумма обоих жесткостей составляет общую жесткость воды. Оценивают ее в разных странах по-разному. Принято выражать жесткость воды числом миллиграмм-эквивалентов кальция и магния в одном литре воды. Если в литре воды меньше 4 мг-экв, то вода считается мягкой; по мере увеличения их концентрации – все более жесткой и, если содержание превышает 12 единиц, – очень жесткой.

Жесткость воды обычно определяют с помощью раствора мыла. Такой раствор (определенной концентрации) прибавляют по каплям к отмеренному количеству воды. Пока в воде есть ионы Са 2+ или Mg 2+ , они будут мешать образованию пены. По затратам мыльного раствора до появления пены вычисляют содержание ионов Са 2+ и Mg 2+ .

Интересно, что аналогичным путем определяли жесткость воды еще в Древнем Риме. Только реактивом служило красное вино – его красящие вещества тоже образуют осадок с ионами кальция и магния.

Хранение кальция

Металлический кальций длительно хранить можно в кусках весом от 0,5 до 60 кг. Такие куски хранят в бумажных мешках, вложенных в железные оцинкованные барабаны с пропаянными и покрашенными швами. Плотно закрытые барабаны укладывают в деревянные ящики. Куски весом меньше 0,5 кг подолгу хранить нельзя – они быстро превращаются в окись, гидроокись и карбонат кальция.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Кальций - двадцатый элемент Периодической таблицы. Обозначение - Ca от латинского «calcium». Расположен в четвертом периоде, IIА группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 20.

Кальций принадлежит к числу самых распространенных в природе элементов. В земной коре его содержится приблизительно 3% (масс.). Он встречается в виде многочисленных отложений известняков и мела, а также мрамора, которые представляют собой природные разновидности карбоната кальция CaCO 3 . В больших количествах встречаются также гипс CaSO 4 ×2H 2 O, фосфорит Ca 3 (PO 4) 2 и, наконец, различные содержащие кальций силикаты.

В виде простого вещества кальций представляет собой ковкий, довольно твердый металл белого цвета (рис.1). На воздухе быстро покрывается слоем оксида, а при нагревании сгорает ярким красноватым пламенем. С холодной водой кальций реагирует сравнительно медленно, но из горячей воды быстро вытесняет водород, образуя гидроксид.

Рис. 1. Кальций. Внешний вид.

Атомная и молекулярная масса кальция

Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Поскольку в свободном состоянии кальций существует в виде одноатомных молекул Ca, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 40,078.

Изотопы кальция

Известно, что в природе кальций может находиться в виде четырех стабильных изотопов 40 Ca, 42 Ca, 43 Ca, 44 Ca, 46 Ca и 48 Ca, с явным преобладанием изотопа 40 Ca (99,97%). Их массовые числа равны 40, 42, 43, 44, 46 и 48 соответственно. Ядро атома изотопа кальция 40 Ca содержит двадцать протонов и двадцать нейтронов, а остальные изотопы отличаются от него только числом нейтронов.

Существуют искусственные изотопы кальция с массовыми числами от 34-х до 57-ми, среди которых наиболее стабильным является 41 Ca с периодом полураспада равным 102 тысячи лет.

Ионы кальция

На внешнем энергетическом уровне атома кальция имеется два электрона, которые являются валентными:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 .

В результате химического взаимодействия кальций отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:

Ca 0 -2e → Ca 2+ .

Молекула и атом кальция

В свободном состоянии кальций существует в виде одноатомных молекул Ca. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу кальция:

Сплавы кальция

Кальций служит легирующим компонентом некоторых свинцовых сплавов.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

Ca → Ca(OH) 2 → CaCO 3 →Ca(HCO 3) 2 .

Ответ

Растворив кальций в воде можно получить мутный раствор соединения известного под названием «известковое молоко» — гидроксида кальция:

Ca+ 2H 2 O→ Ca(OH) 2 + H 2 .

Пропустив через раствор гидроксида кальция углекислый газ получаем карбонат кальция:

2Ca(OH) 2 + CO 2 → CaCO 3 + H 2 O.

Добавив к карбонату кальция воды и продолжая пропускать через данную смесь углекислый газ получаем гидрокарбонат кальция:

CaCO 3 + H 2 O + CO 2 → Ca(HCO 3) 2 .