КАЛЬЦИЙ (латинский Calcium), Са, химический элемент II группы короткой формы (2-й группы длинной формы) периодической системы; относится к щёлочноземельным металлам; атомный номер 20; атомная масса 40,078. В природе существует 6 стабильных изотопов: 40 Са (96,941%), 42 Са (0,647%), 43 Са (0,135%), 44 Са (2,086%), 46 Са (0,004%), 48 Са (0,187%); искусственно получены радиоизотопы с массовыми числами 34-54.
Историческая справка. Многие природные соединения кальция были известны в глубокой древности и широко применялись в строительстве (например, гипс, известь, мрамор). Металлический кальций впервые выделен Г. Дэви в 1808 при электролизе смеси оксидов СаО и HgO и последующем разложении образовавшейся амальгамы кальция. Название происходит от латинского calx (родительный падеж calcis) - известь, мягкий камень.
Распространённость в природе . Содержание кальция в земной коре составляет 3,38% по массе. Из-за высокой химической активности в свободном состоянии не встречается. Наиболее распространены минералы анортит Ca, ангидрит CaSO 4 , апатит Ca 5 (РО 4) 3 (F,Cl,ОН), гипс CaSO 4 ·2Н 2 О, кальцит и арагонит СаСО 3 , перовскит CaTiO 3 , флюорит CaF 2 , шеелит CaWO 4 . Минералы кальция входят в состав осадочных (например, известняк), магматических и метаморфических горных пород. Соединения кальция содержатся в живых организмах: являются основными компонентами костных тканей позвоночных (гидроксиапатит, фторапатит), скелетов кораллов, раковин моллюсков (карбонат и фосфаты кальция) и др. Присутствие ионов Са 2+ определяет жёсткость воды.
Свойства . Конфигурация внешней электронной оболочки атома кальция 4s 2 ; в соединениях проявляет степень окисления +2, редко +1 ; электроотрицательность по Полингу 1,00, атомный радиус 180 пм, радиус иона Са 2+ 114 пм (координационное число 6). кальций - серебристо-белый мягкий металл; до 443 °С устойчива модификация с кубической гранецентрированной кристаллической решёткой, выше 443 °С - с кубической объёмно-центрированной решёткой; t пл 842°С, t кип 1484 °С, плотность 1550 кг/м 3 ; теплопроводность 125,6 Вт/(м·К).
Кальций - металл высокой химической активности (хранят в герметически закрытых сосудах или под слоем минерального масла). При нормальных условиях легко взаимодействует с кислородом (образуется кальция оксид СаО), при нагревании - с водородом (гидрид СаН 2), галогенами (кальция галогениды), бором (борид СаВ 6), углеродом (кальция карбид СаС 2), кремнием (силициды Ca 2 Si, CaSi, CaSi 2 , Ca 3 Si 4), азотом (нитрид Ca 3 N 2), фосфором (фосфиды Са 3 Р 2 , СаР, СаР 5), халькогенами (халькогениды состава СаХ, где Х - S, Se, Те). Кальций взаимодействует с другими металлами (Li, Cu, Ag, Au, Mg, Zn, Al, Pb, Sn и др.) с образованием интерметаллидов. Металлический кальций взаимодействует с водой с образованием кальция гидроксида Са(ОН) 2 и Н 2 . Энергично взаимодействует с большинством кислот, образуя соответствующие соли (например, кальция нитрат, кальция сульфат, кальция фосфаты). Растворяется в жидком аммиаке с образованием тёмно-синего раствора с металлической проводимостью. При испарении аммиака из такого раствора выделяется аммиакат . Постепенно кальций взаимодействует с аммиаком с образованием амида Ca(NH 2) 2 . Образует различные комплексные соединения, наибольшее значение имеют комплексы с кислородсодержащими полидентатными лигандами, например комплексонаты Са.
Биологическая роль . Кальций относится к биогенным элементам. Суточная потребность человека в кальции - около 1 г. В живых организмах ионы кальция участвуют в процессах сокращения мышц, передачи нервных импульсов.
Получение . Металлический кальций получают электролитическим и металлотермическим способами. Электролитический способ основан на электролизе расплавленного хлорида кальция с катодом касания или жидким медно-кальциевым катодом. Из образующегося медно-кальциевого сплава отгоняют кальций при температуре 1000-1080 °С и давлении 13-20 кПа. Металлотермический способ основан на восстановлении кальция из его оксида алюминием или кремнием при 1100-1200 °С. При этом образуется алюминат или силикат кальция, а также газообразный кальций, который затем конденсируют. Мировое производство соединений кальция и материалов, содержащих кальций, около 1 миллиарда т/год (1998).
Применение . Кальций применяют в качестве восстановителя при получении многих металлов (Rb, Cs, Zr, Hf, V и др.). Силициды кальция, а также сплавы кальция с натрием, цинком и другими металлами используют в качестве раскислителей и десульфураторов некоторых сплавов и нефти, для очистки аргона от кислорода и азота, в электровакуумных приборах в качестве поглотителя газов. Хлорид СаСl 2 используют в качестве осушителя в химическом синтезе, гипс применяют в медицине. Кальция силикаты являются основными компонентами цемента.
Лит.: Родякин В. В. Кальций, его соединения и сплавы. М., 1967; Спицын В. И., Мартыненко Л. И. Неорганическая химия. М., 1994. Ч. 2; Неорганическая химия / Под редакцией Ю. Д. Третьякова. М., 2004. Т. 2.
Л. Н. Комиссарова, М. А. Рюмин.
Кальций - один из самых распространенных элементов на Земле. 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.
Кальций постоянно окружает горожан: почти все основные стройматериалы - бетон, стекло, кирпич, цемент, известь - содержат этот элемент в значительных количествах.
Даже пролетая в самолете на многокилометровой высоте, мы не избавляемся от постоянного соседства с элементом №20. Если, допустим, в самолете 100 человек, то, значит, этот самолет несет на борту примерно 150 кг кальция - в организме каждого взрослого человека не меньше килограмма элемента №20. Не исключено, что во время полета количество кальция вблизи нас намного больше: известно, что сплавы кальция с магнием применяются в самолетостроении, и потому не исключено, что в самолете есть не только "органический", но и "собственный" кальций. Словом, от кальция - никуда, и без кальция тоже.
Кальций - элементарный
Несмотря на повсеместную распространенность элемента №20, 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. О них (хотя бы самых важных) стоит рассказать подробнее.
Кальций - углекислый
Карбонат кальция СаCO 3 - одно из самых распространенных на Земле соединений. Минералы на основе СаCO 3 покрывают около 40 млн км 2 земной поверхности. Мел, мрамор, известняки, ракушечники - все это СаCO 3 с незначительными примесями, а кальцит - чистый СаCO 3 .
Самый важный из этих минералов - известняк. (Правильнее говорить не об известняке, а об известняках: известняки разных месторождений отличаются по плотности, составу и количеству примесей) Известняки есть практически везде. В европейской части СССР известняки встречаются в отложениях почти всех геологических возрастов. Ракушечники - известняки органического происхождения - особенно распространены на северном побережье Черного моря. Знаменитые Одесские катакомбы - это бывшие каменоломни, в которых добывали ракушечник. Из известняков главным образом сложены и западные склоны Урала.
В чистом виде известняки - белого или светло-желтого цвета, но примеси придают им более темную окраску.
Наиболее чистый СаCOз образует прозрачные кристаллы известкового или исландского шпата, широко применяемого в оптике. А обычные известняки используются очень широко - почти во всех отраслях народного хозяйства.
Больше всего известняка идет на нужды химической промышленности. Он незаменим в производстве цемента, карбида кальция, соды, всех видов извести (гашеной, негашеной, хлорной), белильных растворов, цианамида кальция, известковой воды и многих других полезных веществ.
Значительное количество известняка расходует и металлургия - в качестве флюсов.
Без известняка не обходится ни одно строительство. Во-первых, из него самого строят, во-вторых, из известняка делают многие строительные материалы.
Известняками (щебенкой) укрепляют дороги, известняками (в виде порошка) уменьшают кислотность почв. В сахарной промышленности известняк используют для очистки свекловичного сока.
Другая разновидность углекислого кальция - мел. Мел - это не только зубной порошок и школьные мелки. Его используют в бумажной и резиновой промышленности - в качестве наполнителя, в строительстве и при ремонте зданий - для побелки.
Третья разновидность карбоната кальция - мрамор - встречается реже. Считается, что мрамор образовался из известняка в давние геологические эпохи. При смещениях земной коры отдельные залежи известняка оказывались погребенными под слоями других пород. Под действием высокого давления и температуры там происходил процесс перекристаллизации, и известняк превращался в более плотную кристаллическую породу - мрамор.
Естественный цвет мрамора - белый, но чаще всего различные примеси окрашивают его в разнообразные цвета. Чистый белый мрамор встречается не часто и идет в основном в мастерские скульпторов. Из менее ценных сортов белого мрамора делают распределительные щиты и панели в электротехнике. В строительстве мрамор (всех цветов и оттенков) используют не столько как конструкционный, сколько как облицовочный материал.
И, чтобы покончить с углекислым кальцием, несколько слов о доломите - важном огнеупорном материале и сырье для производства цемента.
Это двойная магние-кальциевая соль угольной кислоты, ее состав - СаCO 3 · MgCO 3 .
Кальций - сернокислый
Сульфат кальция СаSO 4 тоже широко распространен в природе. Известный минерал гипс - это кристаллогидрат СаSO 4 · 2Н 2 О. Как вяжущее гипс используют уже много веков, чуть ли не со времен египетских пирамид. Но природному гипсу (гипсовому камню) несвойственна способность твердеть на воздухе и при этом скреплять камни.
Это свойство гипс приобретает при обжиге.
Если природный гипс прокалить при температуре не выше 180°C, он теряет три четверти связанной с ним воды. Получается кристаллогидрат состава CaSО 4 · 0,5H 2 O. Это алебастр, или жженый гипс, который и используется в строительстве. Помимо вяжущих свойств у жженого гипса есть еще одно полезное свойство. Затвердевая, он немного увеличивается в объеме. Это позволяет получать хорошие слепки из гипса. В процессе твердения жженого гипса, смешанного с водой (гипсового теста), полторы молекулы воды, потерянные при обжиге, присоединяются, и снова получается гипсовый камень CaSO 4 · 2H 2 O.
Если обжиг гипсового камня вести при температуре выше 500°C, получается безводный сернокислый кальций - "мертвый гипс". Он не может быть использовал в качестве вяжущего.
"Оживить" мертвый гипс можно. Для этого нужно прокалить его при еще более высоких температурах - 900...1200°C. Образуется так называемый гидравлический гипс, который, будучи замешанным с водой, вновь дает затвердевающую, массу, очень прочную и стойкую к внешним воздействиям.
Кальций - фосфорнокислый
Кальциевая соль ортофосфорной кислоты - основной компонент фосфоритов и апатитов. Эти минералы (тоже достаточно распространенные) - сырье для производства фосфорных удобрений и некоторых других химических продуктов. Поскольку полезнейшая часть фосфоритов и апатитов - не кальций, а фосфор, мы не будем подробно рассказывать о них, отослав читателя к статье об элементе №15. Упомянем только, что кальциевые соли фосфорных кислот, прежде всего трикальцийфосфат Са 3 (РO 4) 2 , всегда есть в организмах людей и животных. Са 3 (РO 4) 2 - главный "конструкционный материал" наших костей.
Кальций - хлористый
Эта соль кальция встречается в природе намного реже, чем карбонат, сульфат или фосфаты кальция. Ее получают как побочный продукт в производстве соды аммиачным способом. Природный хлористый кальций это обычно кристаллогидрат СаСl 2 · 6Н 2 O, который при нагревании теряет сначала четыре молекулы воды, а затем и остальные.
Безводный хлористый кальций сильно гигроскопичен, его применяют для сушки жидкостей и газов.
Хлористый кальций хорошо растворяется в воде. Если полить таким раствором грунтовую или щебеночную дорогу, она останется влажной намного дольше, чем после поливки водой. Это происходит потому, что упругость пара над раствором хлористого кальция очень мала; такой раствор поглощает влагу из воздуха и поэтому долго не высыхает.
Другое применение этой соли связано с низкими температурами замерзания растворов хлористого кальция. Эти растворы используют в холодильных системах. А смеси этой соли со снегом или мелко истолченным льдом плавятся при температурах намного ниже нуля. Точка плавления холодильной смеси состава 58,8% CaCl 2 · 6Н 2 О и 41,2% снега минус 55°C.
Хлористый кальций широко применяют и в медицине. В частности, внутривенные инъекции растворов CaCl 2 снимают спазмы сердечно-сосудистой системы, улучшают свертываемость крови, помогают бороться с отеками, воспалениями, аллергией. Растворы хлористого кальция врачи прописывают не только внутривенно, но и просто как внутреннее лекарство. Хлорид кальция стал также одним из компонентов витамина B 15 .
Кальций - фтористый
В отличие от CaCl 2 и других галогенидов кальция эта соль практически нерастворима в воде. Фтористый кальций входит в состав апатита, там это бесполезная примесь. Зато чистый кристаллический дифторид кальция - вещество очень полезное. Это один из главных металлургических флюсов - веществ, помогающих отделять металлы от пустой породы. В этом качестве фтористый кальций используют очень давно, и не случайно одно из названий этого минерала - плавиковый шпат. Плавиковый - от "плавить".
Иногда в природе встречаются крупные, весом до 20 кг, абсолютно прозрачные кристаллы этой соли. У них другое минералогическое название - флюорит. Такие кристаллы представляют чрезвычайную ценность для оптики, потому что они пропускают ультрафиолетовые и инфракрасные лучи намного лучше, чем стекло, кварц или вода. Спрос на кристаллы флюорита намного превышает запасы разведанных месторождений, и не случайно флюорит стали получать в промышленных масштабах искусственным путем.
Искусственным путем...
Природные соединения кальция не всегда и не во всем удовлетворяют человека. Поэтому многие из них превращают в другие вещества. 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 № 20.
А 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.
Искусственным путем получают и гидрид кальция - сильнейший восстановитель, и активные окислители - хлорную известь Са (СlO) Сl и гипохлорит кальция Са (СlO) 2 .
Число примеров, подтверждающих первостепенную важность элемента №20 и его соединений - природных и искусственных, - можно еще увеличить. Но вряд ли в этом есть необходимость.
Изотопы кальция
Природный кальций состоит из шести изотопов с массовыми числами 40, 42, 43, 44, 46 и 48. Основной изотоп - 40 Са; его содержание в металле около 97%. Полученные искусственным путем изотопы с массовыми числами 39, 41, 45, 47 и 49 - радиоактивны. Один из них - 45 Са может быть получен облучением металлического кальция или его соединений нейтронами в урановом реакторе. Наша промышленность выпускает следующие препараты с изотопом 45 Са: кальций металлический, СаCO 3 , СаО, CaCl, Ca (NO 3) 2 , CaSO 4 , CaC 2 O 4 .
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.
Зубы и металлы чистит разный мел
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. Поэтому зубной порошок готовят только из химически осажденного мела.
Жесткая вода
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. В СССР 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.
"Кипелка" и "пушонка"
Еще в I в. н.э. Диоскорид - врач при римской армии - в сочинении "О лекарственных средствах" ввел для окиси кальция название "негашеная известь", которое сохранилось и в наше время. Строители ее называют "кипелкой" - за то, что при гашении выделяется много тепла, и вода закипает. Образующийся при этом пар разрыхляет известь, она распадается с образованием пушистого порошка. Отсюда строительное название гашеной извести - "пушонка". В зависимости от количества воды, добавляемой к извести, гашение идет до получения пушонки, известкового теста, известкового молока или известковой воды. Все они нужны для приготовления вяжущих растворов.
Бетону - две тысячи лет
Бетон - важнейший строительный материал наших дней. Но это вещество (точнее, одну из его разновидностей - смесь дробленого камня, песка и извести) применяют с давних пор. Плиний Старший (I в. н. э) так описывает постройку цистерн из бетона: "Для постройки цистерн берут пять частей чистого гравийного песка, две части самой лучшей гашеной извести и обломки силекса (твердая лава. - Ред) весом не больше фунта каждый, после смешивания уплотняют как следует нижнюю и боковые поверхности ударами железной трамбовки".
Почему кальций - кальций
В латинском языке слово "calx" обозначает известь и сравнительно мягкие, легко обрабатываемые камни, в первую очередь мел и мрамор. От этого слова и произошло название элемента №20.
Что такое "арболит"?
Так назван материал, в состав которого входят отходы древесины, цемент, хлористый кальций и вода. После смешения компонентов и уплотнения вибрационным способом получается строительный материал с исключительно ценными свойствами: он не горит, не гниет, легко пилится пилой, обрабатывается на станке. Стоимость такого материала невелика. Плиты из арболита используют в строительстве малоэтажных зданий.
Как хранят кальций
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.
Как получают кальций
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.
Не только электролизом.
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 №20. Он основан на термической диссоциации карбида кальция: раскаленный в вакууме до 1750°C карбид разлагается с образованием паров кальция и твердого графита.
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 №20 стали применять при получении тория, ванадия, циркония, бериллия, ниобия, урана, тантала и других тугоплавких металлов.
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.
Кальций используют и в металлургии меди, никеля, специальных сталей и бронз; им связывают вредные примеси серы, фосфора, избыточного углерода. В тех же целях применяют сплавы кальция с кремнием, литием, натрием, бором, алюминием.
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 . |
Общие сведения и методы получения
Кальций (Са) - серебристо-белый металл. Открыт английским химиком Дэви в 1808 г., однако в чистом виде получен только в 1855 г. Бунзеном и Матиссеном путем электролиза расплавленного хлористого кальция. Промышленный способ получения кальция разработан Зутером и Ред-лихом в 1896 г. на заводе Ратенау (Германия). В 1904 г. в Биттерфель-де начал работать первый завод по получению кальция.
Свое название элемент получил от латинского calx (calcis) - известь.
В свободном состоянии в природе не встречается. Входит в состав осадочных и метаморфических пород. Чаще всего встречаются карбонатные породы (известняк, мел). Кроме того, кальций содержится во многих минералах: гипсе, кальците, доломите, мраморе и др.
В известняке присутствует не менее 40 % углекислого кальция, в кальците - 56 % СаО, в доломите - 30,4 % СаО, в гипсе - 32,5 % СаО. Кальций содержится в почве и морской воде (0,042 %).
Металлический кальций и его сплавы получают электролитическим и металлотермичсским способами. Электролитические способы основаны на электролизе расплавленного хлористого кальция. Получающийся металл содержит СаС1 2 , поэтому его переплавляют, а для получения высокочистого кальция перегоняют. Оба процесса проводят в вакууме.
Кальций получают также методом алюминотермического восстановления в вакууме, а также термической диссоциацией карбида кальция.
Физические свойства
Атомные характеристики. Атомный номер 20, атомная масса 40,08 а. е. м., атомный объем 26,20 10 _6 м 3 /моль, атомный радиус 0,197 нм, ионный радиус (Са 2 +) 0,104 нм Конфигурация внешних электронных оболочек Зр е 4А 2 . Значения потенциалов ионизации атомов / (эВ): 6,111; 11,87; 51,21. Электроотрицательность 1,0. Кристаллическая решетка г. ц. к. с периодом а =0,556 нм (координационное число 12), переходящая около 460 °С в гексагональную с а=0,448 нм (координационное число 6;6). Энергия кристаллической решетки 194,1 мкДж/кмоль.
Природный кальций состоит из смеси шести стабильных изотопов (40 Са, 42 Са, 43 Ca , 44 Са, 46 Са, 48 Са), из которых наиболее распространен 40 Са (96,97 %). Остальные изотопы (39 Са, "Са, 45 Са, 47 Са и 49 Са) обладают радиоактивными свойствами и могут быть получены искусст-иенным путем.
Эффективное поперечное сечение захвата тепловых нейтронов 0,44*10 -28 м 2 . Работа выхода электронов ср = 2,70-н 2,80 эВ. Работа выхода электронов для грани (100) монокристалла 2,55 эВ.
Плотность. Плотность кальция при 20 °С р= 1,540 Мг/м 3 , а при 480°С 1,520 Мг/м 3 , жидкого (865°С) 1,365 Мг/м 3 .
Химические свойства
Нормальный электродный потенциал реакции Са-2е^=Са 2 + ср=-2,84 В. В соединениях проявляет степень окисления +2.
Кальций - химически очень активный элемент, вытесняет почти все металлы из их оксидов, сульфидов и галогенидов. Медленно взаимодействует с холодной водой, при этом выделяется водород, в горячей ЗВде образуется гидроксид. С сухим воздухом при комнатной температуре кальций не реагирует, при нагреве до 300 °С и выше сильно окисляется, а при дальнейшем нагреве, особенно в присутствии кислорода, воспламеняется, образуя СаО; теплота образования АЯ 0 йр = = 635,13 кДж/моль.
При взаимодействии с водородом при 300-400 °С образуется гидрид кальция СаН 2 (ДЯ 0 бр= 192,1 кДж/моль), с кислородом прочное ч. высокотемпературное соединение СаО. С фосфором кальций образует устойчивое и прочное соединение Са 3 Р 2 , а с углеродом - карбид СаС 2 . С фтором, хлором, бромом и иодом взаимодействует, образуя CaF 2 , СаС1 2 , СаВг 2 , Са1 2 . При нагревании кальции с серой образуется сульфид CaS , с кремнием - силициды Ca 2 Si , CaSi и CaSi 2 .
Концентрированная азотная кислота и концентрированный раствор NaOH слабо взаимодействуют с кальцием, а разбавленная азотная кислота бурно. В крепкой серной кислоте кальций покрывается защитной пленкой CaS 0 4 , которая препятствует дальнейшему взаимодействию; разбавленная H 2 S 0 4 действует слабо, разбавленная соляная кислота - сильно.
С большинством металлов кальций взаимодействует, образуя твердые растворы и химические соединения.
Нормальный электронный потенциал ф 0 = -2,84 В. Электрохимический эквивалент 0,20767 мг/Кл.
Технологические свойства
Благодаря высокой пластичности кальция его можно подвераать обработке давлением всех видов. При 200-460 °С он хорошо прессуется, прокатывается в листы, куется, из него легко получают проволоку и другие полуфабрикаты. Кальций хорошо обрабатывается резанием (обточка на токарном, сверлильном и других станках).
Области применения
Применение металлического кальция обусловлено его высокой химической активностью. Поскольку при повышенной температуре кальций может энергично соединяться со всеми газами, кроме инертных, его используют для промышленной очистки аргона и гелия, а также в качестве газопоглотителя в высоковакуумных приборах, например электронных трубках и т. д.
В металлургии кальций используют в качестве раскислителя и де-сульфуратора стали; при очистке свинца и олова от висмута и сурьмы; в качестве восстановителя при получении тугоплавких редких металлов, обладающих высоким сродством к кислороду (циркония, титана, тантала, ниобия, тория, урана и др.); в качестве легирующей добавки к свинцово-кальциевым баббитам для повышения их механических и антифрикционных свойств
Сплав свинца с 0,04 % Са обладает повышенной твердостью по сравнению с чистым свинцом. Небольшие добавки (0,1 %) кальция повышают устойчивость против ползучести. Сплав кальция (до 70 %) с цинком используется тля изготовления пенобетона.
Широко применяются лигатуры кальция с кремнием и марганцем, с алюминием и кремнием в качестве раскислителей и добавок в производстве легких сплавов
Присадка кальцийлитиевых лигатур в незначительных количествах к сплавам на основе железа (чугуну, углеродистым и специальным сталям) увеличивает их жидкотекучесть и заметно повышает твердость и временное сопротивление.
Широкое применение получили соединения кальция. Так, оксид кальция используют в стекольном производстве, для футеровки печей, получения гашеной извести. Гидросульфит кальция применяют в производстве искусственного волокна и для очистки каменноугольного газа.
Хлорная известь используется как" отбеливающее средство в текстильной и целлюлозно-бумажной промышленности, а также как дезинфицирующее средство. Пероксид кальция идет на приготовление гигиенических и косметических препаратов, а также зубных паст. Сульфид кальция служит для получения фосфоресцирующих препаратов, а в кожевенной промышленности - для удаления волосяного покрова кожи. Соединения кальция с мышьяком ядовиты и опасны. Их используют для уничтожения вредителей сельского хозяйства. Соединения кальция с фосфором и цианамиды кальция служат для получения удобрений (суперфосфат, азотистые удобрения и др.). Широко применяются минералы - мрамор, гипс, известняк, доломит и т. д.
Загрузка...