Кальций схема. Кальций

Природные соединения кальция (мел, мрамор, известняк, гипс) и продукты их простейшей переработки (известь) были известны людям с древних времен. В 1808 г. английский химик Хэмфри Дэви подверг электролизу влажную гашеную известь (гидроксид кальция) с ртутным катодом и получил амальгаму кальция (сплав кальция с ртутью). Из этого сплава, отогнав ртуть Дэви получил чистый кальций.
Он же предложил название нового химического элемента, от латинского "сalx" обозначавшего название известняка, мела и других мягких камней.

Нахождение в природе и получение:

Кальций - пятый по распространенности элемент в земной коре (более 3%), образует множество пород, в основе многих из которых - карбонат кальция. Некоторые из этих пород имеют органическое происхождение (ракушечник), показывающее важную роль кальция в живой природе. Природный кальций - смесь 6 изотопов с массовыми числами от 40 до 48, причем на 40 Ca приходится 97% общего количества. Ядерными реакциями получены и другие изотопы кальция, например радиоактивный 45 Ca .
Для получения простого вещества кальция используется электролиз расплавов его солей или алюмотермия:
4CaO + 2Al = Ca(AlO 2) 2 + 3Ca

Физические свойства:

Серебристо-серый металл с кубической гранецентрированной решеткой, значительно более твердый, чем щелочные металлы. Температура плавления 842°C, кипения 1484°C, плотность 1,55 г/см 3 . При высоких давлениях и температурах около 20K переходит в состояние сверхпроводника.

Химические свойства:

Кальций не столь активен как щелочные металлы, тем не менее его приходится хранить под слоем минерального масла или в плотно запаянных металлических барабанах. Уже при обычной температуре он реагирует с кислородом и азотом воздуха, а также с водяными парами. При нагревании сгорает на воздухе красно-оранжевым пламенем, образуя оксид с примесью нитридов. Подобно магнию кальций продолжает гореть в атмосфере углекислого газа. При нагревании реагирует с другими неметаллами, образую не всегда очевидные по составу соединения, например:
Ca + 6B = CaB 6 или Ca + P => Ca 3 P 2 (а также CaP или CaP 5)
Во всех своих соединениях кальций имеет степень окисления +2.

Важнейшие соединения:

Оксид кальция CaO - ("негашёная известь") вещество белого цвета, щелочной оксид, энергично реагирует с водой ("гасится") переходя в гидроксид. Получают термическим разложением карбоната кальция.

Гидроксид кальция Ca(OH) 2 - ("гашёная известь") белый порошок, мало растворим в воде (0,16г/100г), сильная щелочь. Раствор ("известковая вода") используется для обнаружения углекислого газа.

Карбонат кальция CaCO 3 - основа большинства природных минералов кальция (мел, мрамор, известняк, ракушечник, кальцит, исландский шпат). В чистом виде вещество белого цвета или бесцв. кристаллы, При нагревании (900-1000 С) разлагается, образуя оксид кальция. Не р-рим, реагирует с кислотами, способен растворяться в воде, насыщенной углекислым газом, переходя в гидрокарбонат: CaCO 3 + CO 2 + H 2 O = Ca(HCO 3) 2 . Обратный процесс приводит к появлению отложений карбоната кальция, в частности таких образований, как сталактиты и сталагмиты
Встречается в природе также в составе доломита CaCO 3 *MgCO 3

Сульфат кальция CaSO 4 - вещество белого цвета, в природе CaSO 4 *2H 2 O ("гипс", "селенит"). Последний при осторожном нагревании (180 С) переходит в CaSO 4 *0,5H 2 O ("жжёный гипс", "алебастр") - белый порошок, при замешивании с водой снова образующий CaSO 4 *2H 2 O в виде твердого, достаточно прочного материала. Мало растворим в воде, в избытке серной кислоты способен растворяться, образуя гидросульфат.

Фосфат кальция Ca 3 (PO 4) 2 - ("фосфорит"), нерастворим, под действием сильных кислот переходит в более растворимые гидро- и дигидрофосфаты кальция. Исходное сырье для получения фосфора, фосфорной кислоты, фосфорных удобрений. Фосфаты кальция входят также в состав апатитов, природных соединений с примерной формулой Са 5 3 Y, где Y = F, Cl, или ОН, соответственно фтор-, хлор-, или гидроксиапатит. Наряду с фосфоритом апатиты входят в состав костного скелета многих живых организмов, в т.ч. и человека.

Фторид кальция CaF 2 - (природн.: "флюорит", "плавиковый шпат"), нерастворимое в-во белого цвета. Природные минералы имеют разнообразные окраски, обусловленные примесями. Светится в темноте при нагревании и при УФ-облучении. Увеличивает текучесть ("плавкость") шлаков при получении металлов, чем обусловлено его применение в качестве флюса.

Хлорид кальция CaCl 2 - бесцв. крист. в-во хорошо р-римое в воде. Образует кристаллогидрат CaCl 2 *6H 2 O. Безводный ("плавленый") хлорид кальция - хороший осушитель.

Нитрат кальция Ca(NO 3) 2 - ("кальциевая селитра") бесцв. крист. в-во хорошо р-римое в воде. Составная часть пиротехнических составов, придающее пламени красно-оранжевый цвет.

Карбид кальция CaС 2 - реагирует с водой, к-тами образуя ацетилен, напр.: CaС 2 + H 2 O = С 2 H 2 + Ca(OH) 2

Применение:

Металлический кальций используется как сильный восстановитель при получении некоторых трудновосстанавлиевых металлов ("кальциетермия"): хром, РЗЭ, торий, уран и др. В металлургии меди, никеля, специальных сталей и бронз кальций и его сплавы используется для удаления вредных примесей серы, фосфора, избыточного углерода.
Кальций используется также для связывания малых количеств кислорода и азота при получении глубокого вакуума и очистке инертных газов.
Нейтрон-избыточные ионы 48 Ca используются для синтеза новых химических элементов, например элемента №114, . Другой изотоп кальция, 45 Ca , используется как радиоактивная метка при исследованиях биологической роли кальция и его миграции в окружающей среде.

Основной областью применения многочисленных соединений кальция является производство строительных материалов (цемент, строительные смеси, гипсокартон и т.д.).

Кальций один из макроэлементов в составе живых организмов, образуя соединения необходимые для построения как внутреннего скелета позвоночных животных, так и внешнего многих беспозвоночных, скорлупу яиц. Ионы кальция также участвуют в регуляции внутриклеточных процессов, обуславливают свертываемость крови. Нехватка кальция в детском возрасте приводит к рахиту, в пожилом - к остеопорозу. Источником кальция служат молочные продукты, гречка, орехи, а его усвоению способствует витамин D. При нехватке кальция используются различные препараты: кальцекс, раствор хлорида кальция, глюконат кальция и др.
Массовая доля кальция в организме человека 1,4-1,7%, суточная потребность 1-1,3 г (в зависимости от возраста). Избыточное потребление кальция может привести к гиперкальцемии - отложению его соединений во внутренних органах, образованию тромбов в кровеносных сосудах. Источники:
Кальций (элемент) // Википедия. URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/Кальций (дата обращения: 3.01.2014).
Популярная библиотека химических элементов: Кальций. // URL: http://n-t.ru/ri/ps/pb020.htm (3.01.2014).

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) .

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

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, 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

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.

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 .

Среди всех элементов периодической системы можно выделить несколько таких, без которых не просто развиваются различные заболевания у живых организмов, но и вообще невозможно нормально жить и расти. Один из таких - кальций.

Интересно, что когда речь идет об этом металле, как простом веществе, то никакой пользы для человека он не имеет, даже вред. Однако стоит только упомянуть об ионах Са 2+ , как сразу возникает масса пунктов, характеризующих их важное значение.

Положение кальция в периодической системе

Характеристика кальция, как и любого другого элемента, начинается с указания его места положения в периодической системе. Ведь она дает возможность многое узнать о данном атоме:

заряд ядра;
количество электронов и протонов, нейтронов;
степень окисления, высшую и низшую;
электронную конфигурацию и прочие важные вещи.

Рассматриваемый нами элемент располагается в четвертом большом периоде второй группе, главной подгруппе и имеет порядковый номер 20. Также химическая таблица Менделеева показывает атомный вес кальция - 40,08, что является усредненным значением существующих изотопов данного атома.

Степень окисления одна, всегда постоянна, равна +2. Формула СаО. Латинское название элемента calcium, отсюда символ атома Са.

Характеристика кальция как простого вещества

При обычных условиях данный элемент представляет собой металл, серебристо-белого цвета. Формула кальция как простого вещества - Са. Вследствие высокой химической активности, способен образовывать множество соединений, относящихся к разным классам.

В твердом агрегатном состоянии в состав организма человека не входит, поэтому представляет значение для промышленных и технических нужд (в основном химические синтезы).

Является одним из самых распространенных по доле в земной коре металлов, около 1,5 %. Относится к группе щелочноземельных, так как при растворении в воде дает щелочи, но в природе встречается в виде множественных минералов и солей. Очень много кальция (400 мг/л) включено в состав морской воды.

Кристаллическая решетка

Характеристика кальция объясняется строением кристаллической решетки, которая у него может быть двух типов (так как существует альфа и бета форма):

кубическая гранецентрическая;
объемноцентрическая.

Тип связи в молекуле - металлическая, в узлах решетки, как и у всех металлов - атом-ионы.

Нахождение в природе

Существует несколько основных веществ в природе, которые содержат данный элемент.

Морская вода.
Горные породы и минералы.
Живые организмы (раковины и панцири, костные ткани и так далее).
Подземные воды в земной коре.

Можно обозначить следующие виды горных пород и минералов, которые являются природными источниками кальция.

Доломит - смесь карбоната кальция и магния.
Флюорит - фторид кальция.
Гипс - CaSO 4 · 2H 2 O.
Кальцит - мел, известняк, мрамор - карбонат кальция.
Алебастр - CaSO 4 ·0.5H 2 O.
Апатиты.

Всего выделяют около 350 различных минералов и горных пород, которые содержат кальций.

Способы получения

В свободном виде выделить металл долгое время не удавалось, так как его химическая активность высока, в природе в чистом виде не встретишь. Поэтому вплоть до XIX века (1808 года) рассматриваемый элемент был еще одной загадкой, которую несла таблица Менделеева.

Кальций как металл сумел синтезировать английский химик Гемфри Дэви. Именно он первым обнаружил особенности взаимодействия расплавов твердых минералов и солей с электрическим током. На сегодняшний день до сих пор самым актуальным способом получения данного металла является электролиз его солей, таких как:

смесь хлоридов кальция и калия;
смесь фторида и хлорида кальция.

Также можно извлечь кальций из его оксида при помощи распространенного в металлургии метода алюминотермии.

Физические свойства

Характеристика кальция по физическим параметрам может быть описана несколькими пунктами.

Агрегатное состояние - при обычных условиях твердое.
Температура плавления - 842 0 С.
Металл мягкий, может резаться ножом.
Цвет - серебристо-белый, блестящий.
Обладает хорошими проводниковыми и теплопроводными свойствами.
При длительном нагревании переходит в жидкое, затем парообразное состояние, теряя металлические свойства. Температура кипения 1484 0 С.

Физические свойства кальция имеют одну особенность. Когда на металл оказывается давление, то он в какой-то момент времени теряет свои металлические свойства и способность к электропроводимости. Однако при дальнейшем увеличении воздействия вновь восстанавливается и проявляет себя как сверхпроводник, в несколько раз превышающий по данным показателям остальные элементы.

Химические свойства

Активность данного металла очень высока. Поэтому существует множество взаимодействий, в которые вступает кальций. Реакции со всеми неметаллами для него - обычное дело, ведь как восстановитель он очень силен.

При нормальных условиях легко реагирует с образованием соответствующих бинарных соединений с: галогенами, кислородом.
При нагревании: водород, азот, углерод, кремний, фосфор, бор, сера и прочие.
На открытом воздухе сразу взаимодействует с углекислым газом и кислородом, поэтому покрывается серым налетом.
С кислотами реагирует бурно, иногда с воспламенением.

Интересные свойства кальция проявляются, когда речь идет о нем в составе солей. Так, красивые пещерные вырастающие на потолке и стенах, это не что иное, как образовавшийся со временем из воды, углекислого газа и гидрокарбоната под влиянием процессов внутри подземных вод.

Учитывая, насколько металл активен в обычном состоянии, хранят его в лабораториях, как и щелочные. В темной стеклянной посуде, с плотно закрытой крышкой и под слоем керосина или парафина.

Качественная реакция на ион кальция - это окраска пламени в красивый, насыщенный кирпично-красный цвет. Также идентифицировать металл в составе соединений можно по нерастворимым выпадающим осадкам некоторых его солей (карбонат кальция, фторид, сульфат, фосфат, силикат, сульфит).

Соединения металла

Разновидности соединений металла следующие:

оксид;
гидроксид;
соли кальция (средние, кислые, основные, двойные, комплексные).

Оксид кальция известен как СаО используется для создания строительного материала (извести). Если загасить оксид водой, то получится соответствующий гидроксид, проявляющий свойства щелочи.

Большое практическое значение имеют именно различные соли кальция, которые используются в разных отраслях хозяйства. Какие именно существуют соли, мы уже упоминали выше. Приведем примеры по типам этих соединений.

Средние соли - карбонат СаСО 3 , фосфат Са 3 (РО 4) 2 и другие.
Кислые - гидросульфат CaHSO 4 .
Основные - гидрокарбонат (СаОН) 3 PO 4 .
Комплексные - Cl 2.
Двойные - 5Ca(NO 3) 2 *NH 4 NO 3 *10H 2 O.

Именно в форме соединений данного класса кальций имеет значение для биологических систем, так как источником ионов для организма являются соли.

Биологическая роль

Чем же важен кальций для организма человека? Причин несколько.

Именно ионы этого элемента входят в состав межклеточного вещества и тканевой жидкости, участвуя в регуляции механизмов возбуждения, выработки гормонов и нейромедиаторов.
Кальций накапливается в костях, зубной эмали в количестве около 2,5% от общей массы тела. Это достаточно много и играет важную роль в укреплении этих структур, сохранении их прочности и устойчивости. Рост организма без этого невозможен.
Свертываемость крови также зависит от рассматриваемых ионов.
Входит в состав сердечной мышцы, участвуя в ее возбуждении и сокращении.
Является участником процессов экзоцитоза и других внутриклеточных изменений.

Если количество потребляемого кальция будет недостаточно, то возможно развитие таких заболеваний, как:

рахит;
остеопороз;
заболевания крови.

Суточная норма для взрослого человека - 1000 мг, а для детей от 9 лет 1300 мг. Для того чтобы не допустить переизбыток этого элемента в организме, следует не превышать указанной дозы. В противном случае могут развиться заболевания кишечника.

Для всех остальных живых существ кальций не менее важен. Например, многие хоть и не имеют скелета, однако наружные средства укрепления их также являются образованиями этого металла. Среди них:

моллюски;
мидии и устрицы;
губки;
коралловые полипы.

Все они носят на своей спине или в принципе формируют в процессе жизнедеятельности некий наружный скелет, защищающий их от внешних воздействий и хищников. Основная составная часть его - соли кальция.

Позвоночные животные, как и человек, нуждаются в рассматриваемых ионах для нормального роста и развития и получают их с пищей.

Есть много вариантов, при помощи которых возможно восполнить недостающую норму элемента в организме. Лучше всего, конечно, естественные методы - продукты, содержащие нужный атом. Однако если это по каким-либо причинам недостаточно или невозможно, медицинский путь также приемлем.

Так, список продуктов, содержащих кальций, примерно такой:

молочные и кисломолочные изделия;
рыба;
зелень;
зерновые культуры (гречка, рис, выпечка из цельнозерновой муки);
некоторые цитрусовые (апельсины, мандарины);
бобовые;
все орехи (особенно, миндаль и грецкие).

Если же на какие-то продукты аллергия или нельзя употреблять их по другой причине, то восполнить уровень нужного элемента в организме помогут кальций содержащие препараты.

Все они представляют собой соли этого металла, обладающие способностью легко усваиваться организмом, быстро всасываясь в кровь и кишечник. Среди них самыми популярными и используемыми являются следующие.

Хлорид кальция - раствор для инъекций или для приема внутрь взрослым и детям. Отличается концентрацией соли в составе, используется для "горячих уколов", поскольку вызывает именно такое ощущение при вкалывании. Есть формы с фруктовым соком для облегчения приема внутрь.
Выпускается как таблетками (0,25 или 0,5 г), так и растворами для внутривенных инъекций. Часто в виде таблеток содержит различные фруктовые добавки.
Лактат кальция - выпускается в таблетках по 0,5 г.