Металлический кальций проявляет свойства

Обновлено: 28.09.2024

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

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) (CaCO₃). Кристаллическая форма кальцита — мрамор — встречается в природе гораздо реже.
Довольно широко распространены такие минералы кальция, как известняк (см. ИЗВЕСТНЯК) СaCO₃, ангидрит (см. АНГИДРИТ) CaSO₄ и гипс (см. ГИПС) CaSO₄·2H₂O, флюорит (см. ФЛЮОРИТ) CaF₂, апатиты (см. АПАТИТЫ) Ca₅(PO₄)₃(F,Cl,OH), доломит (см. ДОЛОМИТ) MgCO₃·СaCO₃. Присутствием солей кальция и магния в природной воде определяется ее жесткость (см. ЖЕСТКОСТЬ ВОДЫ) . Значительное количество кальция входит в состав живых организмов. Так, гидроксилапатит Ca₅(PO₄)₃(OH), 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.
Получение
Металлический кальций получают электролизом расплава, состоящего из CaCl₂ (75—80%) и KCl или из CaCl₂ и CaF₂, а также алюминотермическим восстановлением CaO при 1170—1200 °C:
4CaO + 2Al = CaAl₂O₄ + 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 + 2Н₂О = Ca(ОН)₂ + Н₂.
С активными неметаллами (кислородом, хлором, бромом) кальций реагирует при обычных условиях:
2Са + О₂= 2СаО; Са + Br₂= CaBr₂.
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 + Н₂= СаН₂ (гидрид кальция),
Ca + 6B = CaB₆ (борид кальция),
3Ca + N₂= Ca₃N₂ (нитрид кальция)
Са + 2С = СаС₂ (карбид кальция)
3Са + 2Р = Са₃Р₂ (фосфид кальция), известны также фосфиды кальция составов СаР и СаР₅;
2Ca + Si = Ca₂Si (силицид кальция), известны также силициды кальция составов CaSi, Ca₃Si₄ и CaSi₂.
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:
СаН₂ + 2Н₂О = Са(ОН)₂ + 2Н₂,
Ca₃N₂ + 3Н₂О = 3Са(ОН)₂ + 2NН₃.
Оксид кальция — типично основной. В лаборатории и технике его получают термическим разложением карбонатов:
CaCO₃ = CaO + CO₂.
Технический оксид кальция СаО называется негашеной известью.
Он реагирует с водой с образованием Ca(ОН)₂ и выделением большого количества теплоты:
CaО + Н₂О = 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 +СО₂ = СаСО₃; СаО + SO₃ = CaSO₄.
Ион Ca 2+ бесцветен. При внесении в пламя солей кальция пламя окрашивается в кирпично-красный цвет.
Такие соли кальция, как хлорид CaCl₂, бромид CaBr₂, иодид CaI₂ и нитрат Ca(NO₃)₂, хорошо растворимы в воде. Нерастворимы в воде фторид CaF₂, карбонат CaCO₃, сульфат CaSO₄, средний ортофосфат Ca₃(PO₄)₂, оксалат СаС₂О₄ и некоторые другие.
Важное значение имеет то обстоятельство, что в отличие от среднего карбоната кальция СаСО₃ кислый карбонат кальция (гидрокарбонат) Са(НСО₃)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:
СаСО₃ + СО₂+ Н₂О = Са(НСО₃)₂.
В тех же местах, где вода, насыщенная гидрокарбонатом кальция, выходит на поверхность земли и нагревается солнечными лучами, протекает обратная реакция:
Са(НСО₃)₂ = СаСО₃ + СО₂+ Н₂О.
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 СаСО₃. 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 SiO₂) 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)) CaSO₄·0,5H₂O и двухводного сульфата — гипса CaSO₄·2H₂O. 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 CaCl₂ используют наряду с поваренной солью для борьбы с оледенением дорожных покрытий. Фторид кальция СаF₂ — 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 .

Полезное

Смотреть что такое "кальций" в других словарях:

КАЛЬЦИЙ — (Са) желтый блестящий и тягучий металл. Удельный вес 1,6. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Павленков Ф., 1907. КАЛЬЦИЙ (ново лат. calcium, от лат. calx известь). Серебристого цвета металл. Словарь иностранных слов,… … Словарь иностранных слов русского языка

КАЛЬЦИЙ — КАЛЬЦИЙ, Calcium, хим. элемент, симв. Са, блестящий, серебристо белого цвета металл с кристаллич. изломом, относящийся к группе щелочно земельных металлов. Уд. вес 1,53; ат. в. 40,07; точка плавления 808°. Са относится к числу весьма… … Большая медицинская энциклопедия

КАЛЬЦИЙ — (Calcium), Ca, химический элемент II группы периодической системы, атомный номер 20, атомная масса 40,08; относится к щелочно земельным металлам; tпл 842шC. Содержится в костной ткани позвоночных, раковинах моллюсков, яичной скорлупе. Кальций… … Современная энциклопедия

КАЛЬЦИЙ — металл серебристо белого цвета, вязкий, ковкий, на воздухе быстро окисляющийся. Темп pa плавления 800 810°. В природе встречается в виде различных солей, образующих залежи мела, известняка, мрамора, фосфоритов, апатитов, гипса и др. На жел. дор.… … Технический железнодорожный словарь

КАЛЬЦИЙ — (лат. Calcium) Ca, химический элемент II группы периодической системы, атомный номер 20, атомная масса 40,078, относится к щелочноземельным металлам. Название от латинского calx, родительный падеж calcis известь. Серебристо белый металл,… … Большой Энциклопедический словарь

КАЛЬЦИЙ — (символ Са), широко распространенный серебристо белый металл из группы ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНЫХ, впервые выделен в 1808 г. Содержится во многих горных породах и минералах, особенно в известняке и гипсе, а также в костях. В организме способствует… … Научно-технический энциклопедический словарь

Кальций — Ca (от лат. Calx, род. падеж calcis известь *а. calcium; н. Kalzium; ф. calcium; и. calcio), хим. элемент II группы периодич. системы Mенделеева, ат.н. 20, ат. м. 40,08. Cостоит из шести стабильных изотопов: 40Ca (96,97%), 42Ca (0,64%),… … Геологическая энциклопедия

КАЛЬЦИЙ — КАЛЬЦИЙ, кальция, мн. нет, муж. (от лат. calx известь) (хим.). Химический элемент металл серебристо белого цвета, содержащийся в извести. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова

КАЛЬЦИЙ — КАЛЬЦИЙ, я, муж. Химический элемент, мягкий серебристо белый металл. | прил. кальциевый, ая, ое. Кальциевые соли. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова

КАЛЬЦИЙ — муж. металл, составляющий химическую основу извести. Кальцинировать что, пережигать металл, соль или камень. Кальцинация жен. действие это, пережиг, перекалка. Толковый словарь Даля. В.И. Даль. 1863 1866 … Толковый словарь Даля

КАЛЬЦИЙ — (Calcium), Ca, хим. элемент II группы периодич. системы элементов, ат. номер 20, ат. масса 40,08, относится к щелочноземельным металлам. ПриродныйК. состоит из смеси 6 стабильных изотопов с массовыми числами 40, 42 44, 46 и 48, среди к рых наиб.… … Физическая энциклопедия

Что представляет собой кальций, реакция кальция с кислородом

[Deposit Photos]

В древности люди использовали соединения кальция для строительства. В основном это был карбонат кальция, находившийся в горных породах, или продукт его обжига — известь. Также использовался мрамор и гипс. Раньше ученые считали, что известь, представляющая собой оксид кальция, — это простое вещество. Это заблуждение существовало вплоть до конца XVIII века, пока свои предположения по поводу этого вещества не высказал Антуан Лавуазье.

Добыча извести [Flickr]

В начале XIX века английский ученый Хэмпфри Дэви с помощью электролиза открыл кальций в чистом виде. Причем получил он амальгаму кальция из гашеной извести и оксида ртути. Затем отогнав ртуть, он получил металлический кальций.

Кальций играет важную роль в биологической сфере и является распространенным микроэлементом, который в небольших количествах содержится в организме человека, животных, а также в растениях. Дефицит этого элемента приводит к различным заболеваниям.

Так как этот металл проявляет высокую активность, в природе кальций не встречается в чистом виде: большая часть соединений находится в горных породах, например, в силикатах и алюмосиликатах. Также он находится в осадочных горных породах, например, в известняке и меле, который представляет собой карбонат кальция. Кроме того, он встречается в морской воде и в земной коре.

Применение кальция

Этот элемент часто применяют в металлургической промышленности. Именно кальций выступает в роли восстановителя при получении некоторых металлов, например, нержавеющей стали.

Другие соединения кальция, использующиеся в промышленности:

оксид кальция CaO (негашеная известь) используется для строительных и ремонтных работ;

гидросульфит кальция Ca(HSO₃)₂ представляет собой бесцветные кристаллы, является консервантом, а также применяется в бумажной промышленности;

дигидрат сульфата кальция (гипс) CaSO₄·2H₂O применяется как вяжущий материал в целлюлозно-бумажной промышленности, а также в медицине — для фиксации переломов.

Физические свойства кальция

[Wikimedia]

Ca является мягким металлом, его без труда можно разрезать ножом.

Кальций — блестящий серебристо-белый металл, который при неправильном хранении тускнеет из-за образования оксидной пленки.

Вещество плавится при высокой температуре — 842 °С.

Обладает высокой электро- и теплопроводностью.

Кипит при температуре 1484 °С.

Химические свойства кальция

Ca находится во второй группе четвертого периода периодической системы Менделеева и относится к активным щелочноземельным металлам.

Кальций следует хранить под керосином: если оставить этот металл на открытом воздухе, он быстро потеряет свой металлический блеск и станет тусклым и серым под воздействием паров воды, кислорода и углекислого газа.

Реакция кальция с водой проходит бурно, но не сопровождается возгоранием. За счет обильного выделения водорода пластинка с кальцием будет перемещаться по воде. Также образуется вещество — гидроксид кальция. Если в жидкость добавить фенолфталеин, она окрасится в ярко-малиновый цвет — следовательно, Ca(OH)₂ является основанием.

Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂↓ + H₂↑

Реакция кальция с кислородом

Очень интересна реакция Ca и O₂, однако опыт нельзя выполнять в домашних условиях, так как он весьма опасен.

Рассмотрим реакцию кальция с кислородом, а именно горение этого вещества на воздухе.

Внимание! Не пытайтесь повторить этот опыт самостоятельно! Здесь вы найдете безопасные опыты по химии, которые можно проводить дома.

В качестве источника кислорода возьмем нитрат калия KNO₃. Если кальций хранился в керосиновой жидкости, то перед опытом его нужно очистить при помощи горелки, подержав над пламенем. Далее кальций опускают в порошок KNO₃. Затем кальций с нитратом калия нужно поместить в пламя горелки. Происходит реакция разложения нитрата калия на нитрит калия и кислород. Выделяющийся кислород поджигает кальций, и пламя окрашивается в красный цвет.

Стоит отметить, что кальций реагирует с некоторыми элементами только при нагревании, к ним относятся: фосфор, сера, бор, азот и другие.

Кальций: элемент в наших костях

Кальций получил название от латинского слова calx, что означает «известь». Впервые его выделил в 1808 году Хэмфри Дэви, который открыл множество химических элементов. Дэви провел электролиз смеси влажной гашёной извести с оксидом ртути HgO. Анодом была платиновая пластина, катодом — платиновая проволока, погруженная в жидкую ртуть. В результате образовывалась амальгама кальция, а после отгонки ртути оставался чистый кальций.

Физические и химические свойства кальция

У многих кальций ассоциируется с белым, похожим на мел веществом, как, например, кости или зубы. На самом же деле кальций — это серебристо-серый металл. Такой стереотип связан с тем, что кальций, как и многие другие элементы, редко встречается в чистом виде. Дело в том, что он неустойчив к воздействию воздуха и быстро образует гидроксид и карбонат кальция (которые образуют хорошо известные белые известняковые утесы). Существует 385 минералов, содержащих кальций. Наиболее распространенные — кальцит, доломит, мрамор и гипс. Кальций занимает пятое место по распространенности в земной коре после кислорода, кремния, алюминия и железа (3,38 % массы земной коры). Содержание его в морской воде составляет 400 мг/л.

Кальций реакционно способен, и если его положить в воду, происходит реакция с образованием водорода, правда, без вспышек и прочей «драмы», как в случае щелочных металлов.

Химические свойства кальция, а точнее его карбоната, обуславливают образование карстовых пещер. Дело в том, что в отличие от гидрокарбоната Ca(HCO₃)₂, карбонат кальция CaCO₃ нерастворим в воде. Когда насыщенная углекислым газом дождевая вода просачивается к подземным залежам CaCO₃, образуется растворимый гидрокарбонат. Он легко вымывается, и в результате образуются подземные полости — карстовые пещеры.

Обратный процесс — разложение гидрокарбоната до карбоната кальция — можно наблюдать, когда мы просто кипятим воду в чайнике. Зачастую именно карбонат кальция формирует накипь. Так из воды удаляется Ca(HCO₃)₂, который во многом определяет временную жесткость воды.

Биологическая роль кальция

Кальций необходим почти для всех живых существ. Он образует строительные блоки человеческого скелета (в виде фосфата кальция), раковины моллюсков и ракообразных (в виде карбоната кальция). Кости не статичны, как считают многие. Они обновляются при переломах, когда для восстановления костной ткани необходимо очень много кальция. Суточная норма кальция для детей, пожилых людей и беременных составляет 1–1.5 мг, а для здоровых и взрослых — минимум 1 мг. Источники кальция — молочные продукты, молочный шоколад, брокколи и капуста, красная фасоль. Усвоению кальция мешают животные жиры, в том числе и молочные! Поэтому лучше употреблять обезжиренные молочные продукты. Кроме того, кальций хуже усваивается в сочетании с пальмовым маслом: образующиеся стеараты и пальмитаты кальция просто выводятся из организма.

Кальций необходим для множества процессов в теле человека. Когда развивается дефицит кальция, организм начинает компенсировать недостаток этого элемента, забирая его из костей. Если эту потерю не восполнять, могут возникнуть проблемы с костями, например, остеопороз. Это связано с тем, что с возрастом становится всё сложнее удерживать баланс кальция в организме. Усваивать его нам помогает витамин D, который содержится в рыбьем жире, морепродуктах, яйцах и некоторых молочных продуктах.

Области применения кальция

Оксид кальция, или известь, использовался с древних времен для изготовления строительных растворов, что описано в текстах римской эпохи. Для этого необходимо было смешать известь, песок и воду — так получался цемент. Через некоторое время он затвердевал, поскольку абсорбировал углекислый газ из воздуха с образованием карбоната кальция. Известняк ценится за теплый медовый оттенок и широко применяется в архитектуре и скульптуре.

Богатые известняком почвы известны как кальциевые, или щелочные. Они очень сухие и содержат мало питательных веществ, что представляет проблему для садоводов. С другой стороны, если почва слишком кислая, растениям будет трудно поглощать питательные вещества, поэтому известь иногда добавляют для повышения pH гумуса.

Мировое производство извести сильно превышает производство металлического кальция. Она применяется не только в производстве цемента, но и при очистке воды и в качестве удобрения. Кроме того, известь используется как флюс в сталелитейном деле: соединяясь с примесями в руде, она образует шлак, который удобно удалять.

Химические и физические свойства кальция, его взаимодействие с водой

[Deposit Photos]

Кальций располагается в четвертом большом периоде, второй группе, главной подгруппе, порядковый номер элемента — 20. Согласно периодической таблице Менделеева, атомный вес кальция — 40,08. Формула высшего оксида — СаО. Кальций имеет латинское название calcium, поэтому символ атома элемента — Са.

Характеристика кальция как простого вещества

При обычных условиях кальций — это металл серебристо-белого цвета. Имея высокую химическую активность, элемент способен образовывать множество соединений разных классов. Элемент представляет ценность для технических и промышленных химических синтезов. Металл широко распространен в земной коре: его доля составляет около 1,5 %. Кальций относится к группе щелочноземельных металлов: при растворении в воде он дает щелочи, но в природе встречается в виде множественных минералов и солей. Морская вода содержит кальций в больших концентрациях (400 мг/л).

Чистый натрий [Wikimedia]

Характеристики кальция зависят от строения его кристаллической решетки. У этого элемента она бывает двух типов: кубическая гранецентрическая и объемноцентрическая. Тип связи в молекуле кальция — металлический.

Природные источники кальция:

апатиты;
алебастр;
гипс;
кальцит;
флюорит;
доломит.

Физические свойства кальция и способы получения металла

В обычных условиях кальций находится в твердом агрегатном состоянии. Металл плавится при 842 °С. Кальций является хорошим электро- и теплопроводником. При нагревании он переходит сначала в жидкое, а затем в парообразное состояние и теряет металлические свойства. Металл является очень мягким и режется ножом. Кипит при 1484 °С.

Под давлением кальций теряет металлические свойства и способность к электропроводимости. Но затем металлические свойства восстанавливаются и проявляются свойства сверхпроводника, в несколько раз превышающего по своим показателям остальные элементы.

Кальций долго не удавалось получить без примесей: из-за высокой химической активности этот элемент не встречается в природе в чистом виде. Элемент был открыт в начале XIX века. Кальций как металл впервые синтезировал британский химик Гемфри Дэви. Ученый обнаружил особенности взаимодействия расплавов твердых минералов и солей с электрическим током. В наши дни электролиз солей кальция (смеси хлоридов кальция и калия, смеси фторида и хлорида кальция) остается самым актуальным способом получения металла. Кальций также извлекают из его оксида с помощью алюминотермии — распространенного в металлургии метода.

Химические свойства кальция

Кальций — активный металл, вступающий во многие взаимодействия. При нормальных условиях он легко реагирует, образуя соответствующие бинарные соединения: с кислородом, галогенами. Нажмите здесь, чтобы узнать больше о соединениях кальция. При нагревании кальций реагирует с азотом, водородом, углеродом, кремнием, бором, фосфором, серой и другими веществами. На открытом воздухе мгновенно взаимодействует с кислородом и углекислым газом, поэтому покрывается серым налетом.

Бурно реагирует с кислотами, при этом иногда воспламеняется. В солях кальций проявляет интересные свойства. Например, пещерные сталактиты и сталагмиты — это карбонат кальция, постепенно образовавшийся из воды, углекислого газа и гидрокарбоната в итоге процессов внутри подземных вод.

Из-за высокой активности в обычном состоянии кальций хранится в лабораториях в темной герметичной стеклянной посуде под слоем парафина или керосина. Качественная реакция на ион кальция — окрашивание пламени в насыщенный кирпично-красный цвет.

Кальций окрашивает пламя в красный цвет [Wikimedia]

Идентифицировать металл в составе соединений можно по нерастворимым осадкам некоторых солей элемента (фторид, карбонат, сульфат, силикат, фосфат, сульфит).

Реакция воды с кальцием

Кальций хранят в банках под слоем защитной жидкости. Чтобы провести опыт, демонстрирующий, как происходит реакция воды и кальция, нельзя просто достать металл и отрезать от него нужный кусочек. Металлический кальций в лабораторных условиях проще использовать в виде стружки.

Если металлической стружки нет, а в банке есть только большие куски кальция, потребуются пассатижи или молоток. Готовый кусочек кальция нужного размера помещают в колбу или стакан с водой. Кальциевую стружку кладут в посуду в марлевом мешочке.

Кальций опускается на дно, и начинается выделение водорода (сначала в месте, где находится свежий излом металла). Постепенно с поверхности кальция выделяется газ. Процесс напоминает бурное кипение, одновременно образовывается осадок гидроксида кальция (гашёная известь).

Гашение извести [Flickr]

Кусок кальция всплывает, подхваченный пузырьками водорода. Примерно через 30 секунд кальций растворяется, а вода из-за образования взвеси гидроксида становится мутно-белой. Если реакцию проводить не в стакане, а в пробирке, можно наблюдать выделение тепла: пробирка быстро становится горячей. Реакция кальция с водой не заканчивается эффектным взрывом, но взаимодействие двух веществ протекает бурно и выглядит зрелищно. Опыт безопасен.

Если мешочек с оставшимся кальцием вынуть из воды и подержать на воздухе, то через некоторое время в результате продолжающейся реакции наступит сильное разогревание и оставшаяся в марле вода закипит. Если часть помутневшего раствора отфильтровать через воронку в стакан, то при пропускании через раствор оксида углерода CO₂ получится осадок. Для этого не нужен углекислый газ — можно продувать выдыхаемый воздух в раствор через стеклянную трубочку.

КАЛЬЦИЙ

КАЛЬЦИЙ
Ca (calcium),
химический элемент, относится к семейству щелочноземельных металлов Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, составляющих IIA подгруппу периодической системы элементов. Открыт Х.Дэви в 1808. Кальций - третий после алюминия и железа из наиболее распространенных металлов в земной коре, его получают преимущественно из известняка (карбонат кальция). Ведущими производителями кальция являются Австрия, Бразилия, Канада, Финляндия, Израиль и Норвегия. СВОЙСТВА КАЛЬЦИЯ
Атомный номер 20 Атомная масса 40,08 Изотопы

Температура плавления, ° С 842 Температура кипения, ° С 1495 Плотность, г/см3 1,55 Твердость (по Моосу) 1,5 Содержание в земной коре, % (масс.) 3,63 Степени окисления +2
Свойства. Кальций имеет в разрезе серебристо-белый цвет, но на воздухе тускнеет из-за образования оксида на его поверхности. Это пластичный металл тверже свинца. Кальций при нагревании в вакууме подвергается сублимации при температурах ниже точки плавления. Он умеренно растворим в воде, но плохо растворяется в этиловом спирте. При горении на воздухе образует оксид CaO и нитрид Ca3N2; нагретый металл непосредственно реагирует с галогенами. В соединениях кальций всегда двухвалентен.
Применение. Главное применение 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.
Соединения. Кальций образует множество соединений. В отличие от ограниченного применения металлического кальция, его соединения широко применяются с тех пор, как первобытный человек использовал в качестве убежища известняковые пещеры. Оксид кальция CaO - наиболее важный промышленный продукт, служащий исходным сырьем для производства других полезных соединений кальция. CaO имеет несколько коммерческих названий: известь, жженая известь, негашеная известь. Чистый оксид кальция - белое кристаллическое вещество, термостойкий (т.пл. 2630° С). Оксид получают обжигом известняка и мела, при котором удаляют выделяющийся углекислый газ; процесс ведут в шахтных печах с использованием в качестве топлива древесины, угля, нефти или газа; в результате получаются пористые куски жженой извести. При хранении на влажном воздухе жженая известь поглощает углекислый газ и влагу, превращаясь в рыхлую гашеную известь (пушонку). При добавлении воды к CaO выделяется много тепла и образуется гашеная известь (гидроксид кальция). При нагревании оксида кальция с диоксидом кремния или силикатами образуется силикат кальция (см. ниже). Жженую известь широко используют в строительстве для приготовления кладочных и штукатурных растворов, для получения хлорной извести, при выделке кожи, медицинских препаратов и кормов. Гидроксид кальция Ca(OH)2 в виде белого порошка образуется при гашении извести. Он слабо растворим в воде, насыщенный раствор известен под названием "известковая вода", а при избытке гидроксида кальция образуется белая взвесь - "известковое молоко". Ca(OH)2 является основанием и поглощает углекислый газ из воздуха. Гидроксид кальция используется в медицине (в основном для понижения кислотности), в производстве штукатурки, кладочных строительных растворов, цемента, клеевых красок и удаления волоса со шкур при выделке кожи. Известковый кладочный раствор готовят смешением гашеной извести с песком при добавлении воды до получения пластичной массы. Раствор служит вяжущим веществом при возведении стен, так как на воздухе происходит реакция гашеной извести с углекислым газом воздуха с образованием карбоната кальция и выделением воды, поэтому раствор твердеет. Штукатурный раствор ведет себя аналогично. Карбонат кальция CaCO3 в природе распространен в форме минералов известняка или мрамора. Он является основой кальцита, мела, кораллов, яичной скорлупы, раковин морских животных. Доломит - смешанный карбонат кальция и магния. Карбонат кальция используют для приготовления цемента и бетона. Цемент готовят прокаливанием тонкой смеси карбоната кальция (известняк, мел или мергель) с силикатом (глина, сланец) или доменным шлаком. Если цемент смешать с песком и гравием или щебнем и добавить воды до получения пластичной массы, то образуется бетон. Этот материал твердеет и в отсутствие углекислого газа. Карбонат кальция нерастворим в чистой воде, но растворяется в воде, насыщенной углекислым газом, так как при этом образуется растворимая кислая соль Ca(HCO3)2. При кипячении раствора происходит выделение углекислого газа и нерастворимый карбонат кальция выпадает в осадок. Этими реакциями объясняется образование накипи при использовании жесткой воды в чайниках, отопительных системах или бойлерах. Аналогичные реакции происходят в природе, приводя к образованию карстовых промоин в известняке и росту сталактитов и сталагмитов. Жесткая вода содержит бикарбонат или сульфат кальция и (или) магния. При стирке и кипячении в жесткой воде на мыле образуется осадок, блокируя способность мыла к удалению грязи.
Сульфат кальция CaSO4 существует в природе в виде минерала ангидрита. Дигидрат CaSO4*2H2O является важным промышленным минералом, известным под названиями гипс, алебастр, селенит и шелковистый шпат. Гипс добавляют в цемент для уменьшения скорости схватывания, его используют для изготовления пишущих мелков, сельскохозяйственной побелки, в качестве наполнителя красок, полировального порошка и для глянцевания бумаги. При 165-200° C гипс теряет 75% гидратной воды и образует штукатурный гипс. При увлажнении происходит поглощение воды и схватывание массы. Поскольку при затвердевании гипс слегка расширяется, он воспроизводит все тонкие детали любого объекта, на который нанесен, образуя слепок, и поэтому широко используется в изготовлении скульптур, хирургических и зубных слепков, производстве штукатурки и стеновых покрытий. Гипс, прокаленный до полного удаления гидратной воды, используется как высокотвердый поделочный материал. Специально приготовленный безводный сульфат кальция применяется для осушки газов и органических жидкостей, причем он легко регенерируется при нагревании.
Другие серусодержащие соединения. Сульфит кальция CaSO3 и бисульфит кальция Ca(HSO3)2 используются для отбеливания древесной массы в целлюлозно-бумажной промышленности, для предотвращения закисления при ферментации и вместо тиосульфата натрия для отбеливания тканей. Сульфид кальция CaS получают прокаливанием смесей сульфата кальция с углеродом или карбоната кальция с серой. Сульфид применяется для приготовления люминофоров и для удаления волосяного покрова со шкур в кожевенной промышленности.
Галогениды. Хлорид кальция CaCl2 получают из природных насыщенных соляных вод (рапы) или как побочный продукт производства соды по методу Сольве. Его можно получить также по реакции оксида или карбоната кальция с соляной кислотой. При комнатной температуре из раствора кристаллизуется бесцветный расплывающийся на воздухе гексагидрат CaCl2Ч6H2O. При прокаливании гексагидрат теряет воду и переходит последовательно в дигидрат, моногидрат и безводную соль. Эти соединения легко поглощают влагу и поэтому используются как осушители, а также в качестве соляной добавки для плавления снега и льда или для рассеяния тумана. Раствор хлорида кальция используют как антифриз для опрыскивания дорог и в шахтах, как хладагент в холодильных установках, при изготовлении цемента, огнестойких тканей и в огнетушителях. Фармакопейный хлорид кальция широко применяется в медицине, например для остановки кровотечения и увеличения свертываемости крови. Бромид CaBr2 и иодид CaI2 по химическим свойствам похожи на хлорид и применяются в фотографии и медицине. Фторид кальция, встречающийся в природе в виде минерала флюорита, или плавикового шпата, является основным сырьем для получения фтора. Фторид практически нерастворим в воде в отличие от других галогенидов.
Хлорная (белильная) известь. Состав этого вещества в основном соответствует формуле CaOCl2 (сложная смесь хлорида и гипохлорита кальция). Это вещество получают, подавая газообразный хлор снизу через раствор гашеной извести, непрерывно впрыскиваемый во вращающийся аппарат сверху. Хлорная известь - беловатый порошок с сильным запахом хлора. При выдерживании на воздухе он поглощает влагу и углекислый газ и выделяет хлор. Обычный коммерческий продукт содержит около 35% активного хлора (количество хлора, выделяющееся при взаимодействии с соляной кислотой). Хлорная известь используется для отбеливания тканей и древесной массы, для дезинфекции питьевой воды и обезвреживания сточных вод. Еще недавно ее применяли вместо хлора и гипохлорита кальция для отбеливания тканей. Гипохлорит кальция Ca(ClO)2, часто называемый просто гипохлоритом, - белый негигроскопичный порошок с запахом хлора, содержит около 99% активного хлора и поэтому вдвое эффективнее хлорной извести. Он прост в употреблении и хорошо сохраняется. Применяется так же, как и хлорная известь.
Фосфаты. Средний фосфат кальция Ca3(PO4)2 существует в природе в виде минерала фосфорита и является важным компонентом костей животных. Фосфат кальция служит сырьем для получения других фосфатов, фосфора, его соединений, используется в производстве фарфора, эмалей, молочного стекла. Гидрофосфат кальция CaHPO4 применяется как кормовая добавка скоту, в качестве цемента и пасты в стоматологии, как удобрение. Дигидрофосфат кальция Ca(H2PO4)2, или суперфосфат, лучше растворим в воде, чем другие, трех- или двухосновные соли, и поэтому пригоден для быстрой подкормки растений. Карбид кальция CaC2 получают восстановлением CaO коксом, древесным углем или антрацитом в электрической печи. При добавлении воды карбид разлагается с выделением ацетилена. При нагревании карбида кальция в среде азота можно получить цианамид кальция.
См. также УГЛЕРОД. Цианамид кальция CaCN2 - прежде одно из важнейших соединений для фиксации атмосферного азота, теперь в основном используется как удобрение и для цементации стали. При парофазном гидролизе в автоклаве цианамид выделяет аммиак; если его прокаливать в смеси с хлоридом натрия и углеродом, то образуется цианид натрия NaCN, широко используемый для извлечения золота из руд. Арсенат кальция Ca3(AsO4)2 - белый порошок, образующийся по реакции между хлоридом кальция, гидроксидом кальция и арсенатом аммония. Это вещество - распространенный инсектицид, широко применяемый при опылении хлопковых полей для уничтожения вредных насекомых. Силикат кальция CaSiO3 широко распространен в природе в виде минерала волластонита. Он является основным содержимым шлака, образующегося в металлургическом процессе при выплавке металлов из руд. Если в руде имеется избыток песка, то при выплавке добавляют известняк и, наоборот, при избытке известняка в руде добавляют песок; соответственно образующийся силикат кальция в виде шлака собирается на поверхности расплавленного металла и удаляется из печи. В природе существуют также силикаты кальция иного состава.
См. также ЭЛЕМЕНТЫ ХИМИЧЕСКИЕ.
ЛИТЕРАТУРА
Родякин В.В. Кальций, его соединения и сплавы. М., 1967 Фрумина Н.С. и др. Аналитическая химия кальция. М., 1974

Энциклопедия Кольера. — Открытое общество . 2000 .

Полезное

Смотреть что такое "КАЛЬЦИЙ" в других словарях:

Читайте также: