Кальцій ступінь. Практична хімія

Хоча кальцій дуже поширений на земній кулі, у вільному стані у природі не зустрічається.

Перш ніж ми дізнаємося, яким чином можна отримати чистий кальцій, познайомимося з природними сполуками кальцію.

Кальцій – метал. У періодичній системі Менделєєва кальцій (Calcium) Ca має атомний номер 20 ірозташований у ІІ групі. Це хімічно активний елемент, він легко взаємодіє із киснем. Має сріблясто-білий колір.

Природні сполуки кальцію

Сполуки кальцію ми зустрічаємо практично всюди.

Вуглекислий кальційабо карбонат кальцію – це найпоширеніша сполука кальцію. Його хімічна формула - СаCO 3. Мармур, крейда, вапняк, черепашник - всі ці речовини містять карбонат кальцію з невеликою кількістю домішок. Зовсім немає домішок у кальциті, формула якого також є СаCO 3 .

Сірчанокислий кальційтакож називають сульфатом кальцію. Хімічна формула сірчанокислого кальцію СаSO 4. Відомий нам мінерал гіпс - це кристалогідрат СаSO 4 · 2Н 2 Про.

Фосфорнокислий кальційабо кальцієва сіль ортофосфорної кислоти. Це матеріал, з якого побудовані кістки людей та тварин. Називається цей мінерал трикальційфосфат Са 3 (РО 4) 2.

Хлористий кальційCaCl 2, або хлорид кальцію, зустрічається в природі у вигляді кристалогідрату СаСl 2 · 6Н 2 O. При нагріванні ця сполука втрачає молекули води.

Фтористий кальцій CaF 2, або фторид кальцію, у природі можна знайти у мінералі флюориті. А чистий кристалічний дифторид кальцію називається плавиковий шпат.

Але не завжди природні сполуки кальцію мають ті властивості, які потрібні людям. Тому людина навчилася штучно перетворювати такі сполуки на інші речовини. Деякі з цих штучних сполук знайомі нам навіть більшою мірою, ніж природні. Приклад – гашене Са(OH) 2 та негашене вапно СаО, які застосовуються людиною дуже давно. Багато будівельних матеріалів, таких як цемент, карбід кальцію, хлорне вапно також містять штучні сполуки кальцію.

Що таке електроліз

Напевно, майже кожен із нас чув про явище, яке називається електролізом. Ми спробуємо дати найпростіший опис цього процесу.

Якщо пропустити електричний ток через водні розчини солей, то результаті хімічних перетворень утворюються нові хімічні речовини. Процеси, що відбуваються в розчині при пропусканні через нього електричного струму, називаються електролізом. Усі ці процеси вивчає наука, що називається електрохімія. Звичайно ж, процес електролізу може проходити тільки в середовищі, яке проводить струм. Водні розчини кислот, основ і солей є таким середовищем. Їх називають електролітами.

У електроліт занурюються електроди. Негативно заряджений електрод називається катодом. Позитивно заряджений електрод називається анодом. При проходженні електричного струму через електроліт відбувається електроліз. В результаті електролізу на електродах осідають складові розчинених речовин. На катоді – позитивно заряджені, аноді – негативні. Але на самих електродах можуть відбуватися вторинні реакції, внаслідок яких утворюється вторинна речовина.

Ми, що з допомогою електролізу хімічні продукти утворюються без застосування хімічних реактивів.

Як отримують кальцій

У промисловості кальцій можна отримати за допомогою електролізу розплавленого хлориду кальцію CaCl2.

CaCl 2 = Ca + Cl 2

У цьому процесі ванна, зроблена їх графіту, є анодом. Ванна міститься в електричну піч. Залізний стрижень, що переміщається по ширині ванни, а також має можливість підніматися та опускатися, є катодом. Електроліт є розплавлений хлористий кальцій, який заливають у ванну. У електроліт опускається катод. Так починається процес електролізу. Під катодом утворюється розплавлений кальцій. Коли катод піднімається, на місці торкання з катодом кальцій застигає. Так поступово в процесі підняття катода відбувається нарощування кальцію у вигляді штанги. Потім кальцієву штангу відбивають від катода.

Вперше чистий кальцій за допомогою електролізу було отримано 1808 р.

Кальцій також одержують з оксидів за допомогою алюмінотермічного відновлення .

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

При цьому кальцій виходить у вигляді пари. Потім ця пара конденсується.

Кальцій має високу хімічну активність. Саме тому він широко використовується у промисловості для відновлення тугоплавких металів із оксидів, а також у виробництві сталі та чавуну.

Серед усіх елементів періодичної системи можна виділити кілька таких, без яких не просто розвиваються різні захворювання у живих організмів, а взагалі неможливо нормально жити і рости. Один із таких – кальцій.

Цікаво, що коли йдеться про цей метал, як просту речовину, то жодної користі для людини вона не має, навіть шкоди. Однак варто лише згадати про іони Са 2+, як відразу виникає маса пунктів, що характеризують їхнє важливе значення.

Положення кальцію в періодичній системі

Характеристика кальцію, як і будь-якого іншого елемента, починається із зазначення його місця положення у періодичній системі. Адже вона дає можливість багато дізнатися про цей атом:

заряд ядра;
кількість електронів та протонів, нейтронів;
ступінь окислення, вищий та нижчий;
електронну конфігурацію та інші важливі речі.

Розглянутий нами елемент розташовується в четвертому великому періоді другий групі, головній підгрупі і має порядковий номер 20. Також хімічна таблиця Менделєєва показує атомну вагу кальцію - 40,08, що є усередненим значенням існуючих ізотопів атома.

Ступінь окислення одна, завжди постійна, дорівнює +2. Формула СаО. Латинська назва елемента calcium, звідси символ атома Са.

Характеристика кальцію як простої речовини

За звичайних умов даний елемент є металом, сріблясто-білого кольору. Формула кальцію як простої речовини – Са. Внаслідок високої хімічної активності здатний утворювати безліч сполук, що належать до різних класів.

У твердому агрегатному стані до складу організму людини не входить, тому є значення для промислових і технічних потреб (в основному хімічні синтези).

Є одним із найпоширеніших за часткою у земній корі металів, близько 1,5 %. Належить до групи лужноземельних, тому що при розчиненні у воді дає луги, але в природі зустрічається у вигляді множинних мінералів та солей. Дуже багато кальцію (400 мг/л) включено до складу морської води.

Кристалічна решітка

Характеристика кальцію пояснюється будовою кристалічної решітки, яка в нього може бути двох типів (оскільки існує альфа і бета форма):

кубічна гранецентрична;
об'ємноцентрична.

Тип зв'язку в молекулі - металеві, у вузлах решітки, як і у всіх металів - атом-іони.

Знаходження у природі

Існує кілька основних речовин у природі, які містять цей елемент.

Морська вода.
Гірські породи та мінерали.
Живі організми (раковини та панцирі, кісткові тканини тощо).
Підземні води у земній корі.

Можна позначити такі види гірських порід та мінералів, які є природними джерелами кальцію.

Доломіт - суміш карбонату кальцію та магнію.
Флюорит – фторид кальцію.
Гіпс - CaSO 4 · 2H 2 O.
Кальцит – крейда, вапняк, мармур – карбонат кальцію.
Алебастр - CaSO 4 · 0.5H 2 O.
Апатити.

Усього виділяють близько 350 різних мінералів та гірських порід, які містять кальцій.

Способи отримання

У вільному вигляді виділити метал довгий час не вдавалося, тому що його хімічна активність висока, у природі у чистому вигляді не зустрінеш. Тому до XIX століття (1808 року) аналізований елемент був ще однією загадкою, яку несла таблиця Менделєєва.

Кальцій як метал зумів синтезувати англійський хімік Гемфрі Деві. Саме він першим виявив особливості взаємодії розплавів твердих мінералів та солей з електричним струмом. На сьогоднішній день досі найактуальнішим способом отримання металу є електроліз його солей, таких як:

суміш хлоридів кальцію та калію;
суміш фториду та хлориду кальцію.

Також можна отримати кальцій з його оксиду за допомогою поширеного в металургії методу алюмінотермії.

Фізичні властивості

Характеристика кальцію за фізичними параметрами можна описати кількома пунктами.

Агрегатний стан – за звичайних умов твердий.
Температура плавлення – 842 0 С.
Метал м'який, може різатись ножем.
Колір – сріблясто-білий, блискучий.
Має хороші провідникові та теплопровідні властивості.
При тривалому нагріванні перетворюється на рідкий, потім пароподібний стан, втрачаючи металеві властивості. Температура кипіння 1484 0 С.

Фізичні властивості кальцію мають одну особливість. Коли на метал виявляється тиск, то він у якийсь момент часу втрачає свої металеві властивості та здатність до електропровідності. Однак при подальшому збільшенні впливу знову відновлюється і проявляє себе як надпровідник, який у кілька разів перевищує за даними показниками інші елементи.

Хімічні властивості

Активність цього металу дуже висока. Тому існує безліч взаємодій, які вступає кальцій. Реакції з усіма неметалами для нього – звичайна справа, адже як відновник він дуже сильний.

За нормальних умов легко реагує з утворенням відповідних бінарних сполук: галогенами, киснем.
При нагріванні: водень, азот, вуглець, кремній, фосфор, бор, сірка та інші.
На відкритому повітрі одразу взаємодіє з вуглекислим газом та киснем, тому покривається сірим нальотом.
З кислотами реагує бурхливо, іноді із запаленням.

Цікаві властивості кальцію виявляються, коли йдеться про нього у складі солей. Так, гарні печерні виростають на стелі та стінах, це не що інше, як утворений згодом з води, вуглекислого газу та гідрокарбонату під впливом процесів усередині підземних вод.

Враховуючи, наскільки метал активний у звичайному стані, зберігають його у лабораторіях, як і лужні. У темному скляному посуді, із щільно закритою кришкою та під шаром гасу або парафіну.

Якісна реакція на іон кальцію – це забарвлення полум'я в красивий, насичений цегляно-червоний колір. Також ідентифікувати метал у складі сполук можна за нерозчинними випадаючими осадами деяких його солей (карбонат кальцію, фторид, сульфат, фосфат, силікат, сульфіт).

З'єднання металу

Різновиди сполук металу такі:

оксид;
гідроксид;
солі кальцію (середні, кислі, основні, подвійні, комплексні).

Оксид кальцію відомий як СаО використовується для створення будівельного матеріалу (повістки). Якщо загасити оксид водою, то вийде відповідний гідроксид, що виявляє властивості лугу.

Велике практичне значення мають саме різні солі кальцію, що використовуються у різних галузях господарства. Які саме є солі, ми вже згадували вище. Наведемо приклади за типами цих сполук.

Середні солі - карбонат СаСО 3 фосфат Са 3 (РО 4) 2 та інші.
Кислі - гідросульфат CaHSO 4 .
Основні - гідрокарбонат (СаОН) 3 PO 4 .
Комплексні – Cl 2.
Подвійні - 5Ca(NO 3) 2 *NH 4 NO 3 *10H 2 O.

Саме формі сполук даного класу кальцій має значення для біологічних систем, оскільки джерелом іонів для організму є солі.

Біологічна роль

Чим важливий кальцій для організму людини? Причин кілька.

Саме іони цього елемента входять до складу міжклітинної речовини та тканинної рідини, беручи участь у регуляції механізмів збудження, вироблення гормонів та нейромедіаторів.
Кальцій накопичується в кістках зубної емалі в кількості близько 2,5% від загальної маси тіла. Це досить багато і відіграє важливу роль у зміцненні цих структур, збереженні їхньої міцності та стійкості. Зростання організму без цього неможливе.
Згортання крові також залежить від аналізованих іонів.
Входить до складу серцевого м'яза, беручи участь у його збудженні та скороченні.
Є учасником процесів екзоцитозу та інших внутрішньоклітинних змін.

Якщо кількість споживаного кальцію буде недостатньо, то можливий розвиток таких захворювань, як:

рахіт;
остеопороз;
захворювання крові.

Добова норма для дорослої людини – 1000 мг, а для дітей віком від 9 років 1300 мг. Щоб не допустити надлишок цього елемента в організмі, слід не перевищувати зазначеної дози. В іншому випадку можуть розвинутись захворювання кишечника.

Для решти живих істот кальцій не менш важливий. Наприклад, багато хто хоч і не має кістяка, проте зовнішні засоби зміцнення їх також є утвореннями цього металу. Серед них:

молюски;
мідії та устриці;
губки;
коралові поліпи.

Всі вони носять на своїй спині або в принципі формують у процесі життєдіяльності якийсь зовнішній кістяк, що захищає їх від зовнішніх впливів та хижаків. Основна складова його - солі кальцію.

Хребетні тварини, як і людина, потребують іонів для нормального росту і розвитку і отримують їх з їжею.

Є багато варіантів, за допомогою яких можна заповнити недостатню норму елемента в організмі. Найкраще, звичайно, природні методи – продукти, що містять потрібний атом. Однак якщо це з якихось причин недостатньо або неможливо, медичний шлях також є прийнятним.

Так, список продуктів, що містять кальцій, приблизно такий:

молочні та кисломолочні вироби;
риба;
зелень;
зернові культури (гречка, рис, випічка з цільнозернового борошна);
деякі цитрусові (апельсини, мандарини);
бобові;
всі горіхи (особливо, мигдаль та волоські).

Якщо ж на якісь продукти алергія або не можна вживати їх з іншої причини, заповнити рівень потрібного елемента в організмі допоможуть кальцій містять препарати.

Всі вони являють собою солі цього металу, що володіють здатністю легко засвоюватися організмом, швидко всмоктуючи кров і кишечник. Серед них найпопулярнішими і використовуються такі.

Хлорид кальцію - розчин для ін'єкцій або для прийому внутрішньо дорослим та дітям. Відрізняється концентрацією солі у складі, використовується для "гарячих уколів", оскільки викликає саме таке відчуття при вколюванні. Є форми із фруктовим соком для полегшення прийому всередину.
Випускається таблетками (0,25 або 0,5 г), так і розчинами для внутрішньовенних ін'єкцій. Часто у вигляді таблеток містить різноманітні фруктові добавки.
Лактат кальцію – випускається у таблетках по 0,5 г.

Кальцій-Елемент головної підгрупи другої групи, четвертого періоду періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва, з атомним номером 20. Позначається символом Ca (лат. Calcium). Проста речовина кальцій (CAS-номер: 7440-70-2) – м'який, хімічно активний лужноземельний метал сріблясто-білого кольору.

Історія та походження назви

Назва елемента походить від латів. calx (у родовому відмінку calcis) - "вапно", "м'який камінь". Воно було запропоновано англійським хіміком Хемфрі Деві, який у 1808 р. виділив металевий кальцій електролітичним методом. Деві піддав електролізу суміш вологого гашеного вапна з оксидом ртуті HgO на платиновій пластині, яка була анодом. Катодом служив платиновий дріт, занурений у рідку ртуть. В результаті електролізу виходила амальгама кальцію. Відігнавши з неї ртуть, Деві отримав метал, названий кальцієм. Сполуки кальцію — вапняк, мармур, гіпс (а також вапно — продукт випалення вапняку) застосовувалися у будівельній справі вже кілька тисячоліть тому. До кінця XVIII століття хіміки вважали вапно простим тілом. В 1789 А. Лавуазьє припустив, що вапно, магнезія, барит, глинозем і кремнезем - речовини складні.

Знаходження у природі

Через високу хімічну активність кальцій у вільному вигляді у природі не зустрічається.

На частку кальцію припадає 3,38% маси земної кори (5-е місце за поширеністю після кисню, кремнію, алюмінію та заліза).

Ізотопи

Кальцій зустрічається у природі у вигляді суміші шести ізотопів: 40 Ca, 42 Ca, 43 Ca, 44 Ca, 46 Ca та 48 Ca, серед яких найпоширеніший – 40 Ca – становить 96,97 %.

Із шести природних ізотопів кальцію п'ять стабільні. Шостий ізотоп 48 Ca, найважчий з шести і дуже рідкісний (його ізотопна поширеність дорівнює всього 0,187%), як було нещодавно виявлено, відчуває подвійний розпад бета з періодом напіврозпаду 5,3×10 19 років.

У гірських породах та мінералах

Більшість кальцію міститься у складі силікатів і алюмосилікатів різних гірських порід (граніти , гнейси тощо. п.), особливо у польовому шпаті — анортиті Ca.

У вигляді осадових порід сполуки кальцію представлені крейдою та вапняками, що складаються в основному з мінералу кальциту (CaCO3). Кристалічна форма кальциту - мармур - зустрічається в природі набагато рідше.

Досить поширені такі мінерали кальцію, як кальцит CaCO 3 , ангідрит CaSO 4 , алебастр CaSO 4 ·0.5H 2 O і гіпс CaSO 4 ·2H 2 O, флюорит CaF 2 , апатити Ca 5 (PO 4) 3 (F,Cl, OH), доломіт MgCO 3 ·CaCO 3 . Присутністю солей кальцію та магнію у природній воді визначається її жорсткість.

Кальцій, що енергійно мігрує в земній корі і накопичується в різних геохімічних системах, утворює 385 мінералів (четверте місце за кількістю мінералів).

Міграція у земній корі

У природній міграції кальцію істотну роль відіграє «карбонатна рівновага», пов'язана з оборотною реакцією взаємодії карбонату кальцію з водою та вуглекислим газом з утворенням розчинного гідрокарбонату:

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

(Рівновага зміщується вліво або вправо в залежності від концентрації вуглекислого газу).

Велику роль грає біогенна міграція.

У біосфері

З'єднання кальцію знаходяться практично у всіх тварин і рослинних тканинах (див. нижче). Значна кількість кальцію входить до складу живих організмів. Так, гідроксіапатит Ca 5 (PO 4) 3 OH, або, в іншому записі, 3Ca 3 (PO 4) 2 · Са(OH) 2 - основа кісткової тканини хребетних, у тому числі людини; з карбонату кальцію CaCO 3 складаються раковини та панцирі багатьох безхребетних, яєчна шкаралупа та ін. У живих тканинах людини та тварин 1,4-2 % Са (за масовою часткою); у тілі людини масою 70 кг вміст кальцію — близько 1,7 кг (переважно у складі міжклітинної речовини кісткової тканини).

Отримання

Вільний металевий кальцій отримують електролізом розплаву, що складається з CaCl 2 (75-80 %) і KCl або CaCl 2 і CaF 2 , а також алюмінотермічним відновленням CaO при 1170-1200 ° C:

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

Властивості

Фізичні властивості

Метал кальцій існує у двох алотропних модифікаціях. До 443 °C стійкий α-Ca з кубічною гранецентрованою решіткою (параметр а = 0,558 нм), вище стійкий β-Ca з кубічною об'ємно-центрованою решіткою типу α-Fe (параметр a = 0,448 нм). Стандартна ентальпія Δ H 0 переходу α → β становить 0,93 кДж/моль.

Хімічні властивості

У ряді стандартних потенціалів кальцій розташований ліворуч від водню. Стандартний електродний потенціал пари Ca 2+ /Ca 0 −2,84, так що кальцій активно реагує з водою, але без запалення:

Ca + 2Н 2 О = Ca(ОН) 2 + Н 2 + Q.

Наявність у воді розчиненого гідрокарбонату кальцію багато в чому визначає тимчасову твердість води. Тимчасової її називають тому, що при кип'ятінні води гідрокарбонат розкладається, і осад випадає СаСО 3 . Це явище призводить, наприклад, до того, що в чайнику з часом утворюється накип.

Застосування

Застосування металевого кальцію

Головне застосування металевого кальцію - це використання його як відновника при отриманні металів, особливо нікелю, міді та нержавіючої сталі. Кальцій і його гідрид використовуються також для отримання металів, що важко відновлюються, таких, як хром , торій і уран . Сплави кальцію зі свинцем знаходять застосування в акумуляторних батареях та підшипникових сплавах. Кальцієві гранули також використовуються для видалення слідів повітря з електровакуумних приладів.

Металотермія

Чистий металевий кальцій широко застосовується у металотермії при отриманні рідкісних металів.

Легування сплавів

Чистий кальцій застосовується для легування свинцю, що йде на виготовлення акумуляторних пластин, стартерних свинцево-кислотних акумуляторів з малим саморозрядом. Також металевий кальцій йде на виробництво якісних кальцієвих бабітів БКА.

Ядерний синтез

Ізотоп 48 Ca - найбільш ефективний і вживаний матеріал для виробництва надважких елементів та відкриття нових елементів таблиці Менделєєва. Наприклад, у випадку використання іонів 48 Ca для отримання надважких елементів на прискорювачах ядра цих елементів утворюються в сотні і тисячі разів ефективніше, ніж при використанні інших «снарядів» (іонів). кальцію (нагріванням карбіду кальцію в азоті при 1200 °C, реакція йде екзотермічно, проводиться в ціанамідних печах).

Кальцій, а також його сплави з алюмінієм та магнієм використовуються в резервних теплових електричних батареях як анод (наприклад кальцій-хроматний елемент). Хромат кальцію використовується в таких батареях як катод. Особливість таких батарей - надзвичайно довгий термін зберігання (десятиліття) у придатному стані, можливість експлуатації в будь-яких умовах (космос, високий тиск), велика питома енергія за вагою та обсягом. Нестача у недовгому терміні дії. Такі батареї використовуються там, де необхідно на короткий термін створити колосальну електричну потужність (балістичні ракети, деякі космічні апарати тощо).

Крім того, сполуки кальцію вводять до складу препаратів для профілактики остеопорозу, у вітамінні комплекси для вагітних та літніх людей.

Біологічна роль кальцію

Кальцій – поширений макроелемент в організмі рослин, тварин та людини. В організмі людини та інших хребетних більша його частина міститься в скелеті та зубах у вигляді фосфатів. З різних форм карбонату кальцію (повістки) складаються скелети більшості груп безхребетних (губки, коралові поліпи, молюски та ін.). Іони кальцію беруть участь у процесах зсідання крові, а також у забезпеченні постійного осмотичного тиску крові. Іони кальцію також служать одним з універсальних вторинних посередників і регулюють різні внутрішньоклітинні процеси — м'язове скорочення, екзоцитоз, у тому числі секрецію гормонів і нейромедіаторів та ін. Концентрація кальцію в цитоплазмі клітин людини становить близько 10-7 моль, в міжклітинних рідинах 3 моль.

Потреба кальцію залежить від віку. Для дорослих необхідна денна норма становить від 800 до 1000 міліграмів (мг), а для дітей – від 600 до 900 мг, що для дітей дуже важливо через інтенсивне зростання кістяка. Велика частина кальцію, що надходить в організм людини з їжею, міститься в молочних продуктах, кальцій, що залишився, припадає на м'ясо, рибу, і деякі рослинні продукти (особливо багато містять бобові). Всмоктування відбувається як у товстому, так і тонкому кишечнику та полегшується кислим середовищем, вітаміном Д та вітаміном С, лактозою, ненасиченими жирними кислотами. Немаловажна роль магнію в кальцієвому обміні, при його нестачі кальцій «вимивається» з кісток і осаджується в нирках (ниркові камені) та м'язах.

Засвоєнню кальцію перешкоджають аспірин, щавлева кислота, похідні естрогенів. З'єднуючись із щавлевою кислотою, кальцій дає нерозчинні у воді сполуки, які є компонентами каменів у нирках.

Вміст кальцію в крові через велику кількість пов'язаних з ним процесів точно регулюється, і при правильному харчуванні дефіциту не виникає. Тривала відсутність у раціоні може спричинити судоми, біль у суглобах, сонливість, дефекти росту, а також запори. Глибокіший дефіцит призводить до постійних м'язових судом та остеопорозу. Зловживання кавою та алкоголем можуть бути причинами дефіциту кальцію, оскільки частина його виводиться із сечею.

Надлишкові дози кальцію і вітаміну Д можуть викликати гіперкальцемію, після якої слідує інтенсивна кальцифікація кісток і тканин (в основному зачіпає сечовидільну систему). Тривалий надлишок порушує функціонування м'язових та нервових тканин, збільшує згортання крові та зменшує засвоюваність цинку клітинами кісткової тканини. Максимальна добова доза становить для дорослого від 1500 до 1800 міліграм.

Вагітні та годуючі грудьми жінки – від 1500 до 2000 мг.

З нього складний кістковий скелет, але організм не здатний виробляти елемент самостійно. Мова про кальцій. Дорослим жінкам і чоловікам на добу необхідно отримувати не менше 800 міліграмів лужноземельного металу. Витягти його вдається з вівсянки, фундуку, молока, ячної крупи, сметани, квасолі, мигдалю.

Кальційміститься і в гороху, гірчиці, сирі. Щоправда, якщо поєднувати їх із солодощами, кавою, колою та продуктами, багатими на щавлеву кислоту, засвоюваність елемента падає.

Шлункове середовище стає лужним, кальцій захоплюється в нерозчинні та виводиться з організму. Кістки та зуби починають руйнуватися. Що ж такого в елементі, раз він став одним із найважливіших для живих істот і чи є речовині застосування поза їхніми організмами?

Хімічні та фізичні властивості кальцію

У періодичній системі елемент посідає 20 місце. Воно знаходиться в головній підгрупі другої групи. Період, до якого належить кальцій, четвертий. Це означає, що з атома речовини 4 електронних рівня. На них розташовано 20 електронів, на що вказує атомний номер елемента. Він свідчить і про його заряд — +20.

Кальцій в організмі, як і природі, – лужноземельний метал. Значить, у чистому вигляді елемент сріблясто-білий, блискучий та легкий. Твердість лужноземельних металів вища, ніж у лужних.

Показник кальцію - близько 3-х балів по . Таку ж твердість має, наприклад, гіпс. 20-ий елемент ріжеться ножем, але значно складніше, ніж кожен з просто лужних металів.

У чому суть назви «лужноземельний»? Так кальцій та інші метали його групи назвали алхіміки. Оксиди елементів вони називали землями. Оксиди речовин групи кальціюповідомляють воді лужне середовище.

Однак, радій, барій, як і 20-ий елемент, зустрічаються не тільки в поєднанні з киснем. У природі багато солей кальцію. Найвідоміша з них – мінерал кальцит. Вуглекисла форма металу - відомі крейда, вапняк і гіпс. Кожен із них, це карбонат кальцію.

Є у 20-го елемента та леткі сполуки. Вони фарбують полум'я в оранжево-червоний, що стає одним із маркерів для визначення речовин.

Горять усі лужноземельні метали легко. Щоб кальцій вступив у реакцію з киснем, достатньо нормальних умов. Тільки ось у природі елемент не зустрічається у чистому вигляді, лише у з'єднаннях.

Оксі кальцію- Плівка, якою покривається метал, опинися він на повітрі. Наліт жовтуватий. У ньому приховані не лише стандартні оксиди, а й перекиси, нітриди. Вияви кальцій не на повітрі, а у воді, він витіснить з неї водень.

При цьому випадає осад - гідроксид кальцію. Залишки чистого металу спливають на поверхню, що підштовхуються бульбашками водню. Така сама схема працює і з кислотами. Із соляною, наприклад, в осад випадає хлорид кальціюта виділяється водень.

Для деяких реакцій необхідна підвищена температура. Якщо вона дійде до 842 градусів, кальцій можнарозплавити. При 1484-х за шкалою Цельсія метал закипає.

Розчин кальцію, як і чистий елемент, добре проводить тепло та електричний струм. Але якщо речовина сильно нагріта, металеві властивості губляться. Тобто їх немає ні в розплавленого, ні в газоподібного кальцію.

В організмі людини елемент представлений і жорстким, і рідким агрегатним станами. Розм'якшений кальцій вода, яка є в , переносить легше. За межами кісток знаходиться лише 1% 20 речовини.

Однак його транспортування по тканинах відіграє важливу роль. Кальцій крові регулює скорочення м'язів, у тому числі серцевих, підтримує в нормі артеріальний тиск.

Застосування кальцію

У чистому вигляді метал знаходить застосування у . Вони йдуть на акумуляторні грати. Присутність у металі кальцію на 10-13% знижує саморозряд батарей. Це особливо важливо для стаціонарних моделей. З суміші свинцю та 20-го елемента виготовляють, так само підшипники. Один із сплавів так і називається – підшипниковий.

На фото продукти, які містять кальцій

У сталь лужноземельний метал додають, щоб очистити сплав від домішок сірки. Відновлювальні властивості кальцію придатні і при виробництві урану, хрому, цезію, рубідії, .

Який кальційзастосовують у чорній металургії? Той самий чистий. Різниця у призначенні елемента. Тепер він грає роль . Це добавка до сплавів, що знижує температуру їх формування та полегшує відділення шлаків. Гранули кальціюзасипають в електровакуумні прилади, щоб видалити сліди повітря.

48-й ізотоп кальцію має попит на атомних підприємствах. Там виробляють надважкі елементи. Сировину одержують на прискорювачах ядер. Розганяють їх з допомогою іонів – своєрідних снарядів. Якщо їх ролі виступає Ca48, ефективність синтезу збільшується у сотні разів проти використанням іонів інших речовин.

В оптиці 20-ий елемент цінують вже як з'єднання. Фторид та вольфрамат кальцію стають лінзами, об'єктивами та призмами астрономічних приладів. Трапляються мінерали і в лазерній техніці.

Фторид кальцію геологи називають флюоритом, а вольфрамід - шеелітом. Для оптичної промисловості відбирають їх монокристали, тобто окремі, великі агрегати з безперервними гратами та чіткою формою.

У медицині так само прописують не чистий метал, а речовини на його основі. Вони легше засвоюються організмом. Глюконат кальцію- Найдешевший засіб, використовується при остеопорозі. Препарат « Кальцій Магній» прописують підліткам, вагітним жінкам та літнім громадянам.

Їм БАД потрібен, щоб забезпечити підвищену потребу організму у 20-му елементі, уникнути патологій розвитку. Кальцієво-фосфорний обмін регулює «Кальцій Д3». «Д3» у назві засобу говорить про наявність у ньому вітаміну D. Він рідкісний, але необхідний повноцінного засвоєння кальцію.

Інструкціядо «Кальцію нікомед3»вказує, що препарат відноситься до фармацевтичних складів комбінованої дії. Те ж говориться і про хлористого кальцію. Він не тільки заповнює дефіцит 20-го елемента, а й рятує від інтоксикацій, а також здатний замістити плазму крові. При деяких патологічних станах це необхідно.

В аптеках виставлено і препарат « Кальцій – кислотааскорбінова». Такий дует прописують під час вагітності, під час годування груддю. Потребують добавки і підлітки.

Видобуток кальцію

Кальцій у продуктах, мінералах, сполуках, відомий людству з давніх давен. У чистому вигляді метал виділили лише 1808-го року. Успіх посміхнувся Хемфрі Деві. Англійський фізик видобув кальцій шляхом електролізу розплавлених солей елемента. Цей спосіб застосовують і зараз.

Проте, промисловці частіше вдаються до другого методу, відкритого вже після досліджень Хемфрі. Кальцій відновлюють із його оксиду. Реакцію запускають порошком, іноді. Взаємодія проходить за умов вакууму при підвищених температурах. Вперше виділили кальцій таким шляхом у середині минулого століття, у США.

Ціна кальцію

Виробників металевого кальцію небагато. Так, у Росії постачання займається, переважно, Чапецький Механічний завод. Він знаходиться в Удмуртії. Підприємство торгує гранулами, стружкою та шматковим металом. Цінник за тонну сировини тримається в районі 1500 доларів.

Товар пропонують деякі хімічні лабораторії, наприклад, суспільство «Російський Хімік». Останнє, пропонує 100-грамовий кальцію. Відгукисвідчать, що це порошок під олією. Вартість однієї упаковки – 320 рублів.

Окрім пропозицій купити реальний кальцій, в інтернеті торгують і бізнес-плани щодо його виробництва. Приблизно за 70 сторінок теоретичних викладок просять близько 200 рублів. Більшість планів складено у 2015-му році, тобто ще не втратили актуальності.

Кальцій(Calcium), Ca, хімічний елемент II групи періодичної системи Менделєєва, атомний номер 20, атомна маса 40,08; срібно-білий легкий метал. Природний елемент є сумішшю шести стабільних ізотопів: 40 Ca, 42 Ca, 43 Ca, 44 Ca, 46 Ca і 48 Ca, з яких найбільш поширений 40 Ca (96, 97%).

З'єднання Ca - вапняк, мармур, гіпс (а також вапно - продукт випалу вапняку) вже в давнину застосовувалися в будівельній справі. До кінця 18 століття хіміки вважали вапно простим тілом. У 1789 році А. Лавуазьє припустив, що вапно, магнезія, барит, глинозем та кремнезем – речовини складні. У 1808 році Г. Деві, піддаючи електролізу з ртутним катодом суміш вологого гашеного вапна з оксидом ртуті, приготував амальгаму Ca, а відігнавши з неї ртуть, отримав метал, названий "Кальцій" (від лат. calx, рід. відмінок calcis - вапно) .

Кальція в природі.За поширеністю в земній корі Ca займає 5-е місце (після О, Si, Al та Fe); вміст 2,96% за масою. Він енергійно мігрує та накопичується у різних геохімічних системах, утворюючи 385 мінералів (4-е місце за кількістю мінералів). У мантії Землі Ca мало і, ймовірно, ще менше у земному ядрі (у залізних метеоритах 0,02%). Ca переважає у нижній частині земної кори, накопичуючись в основних породах; Більшість Ca укладена в польовому шпаті - аноритті Ca; вміст основних породах 6,72%, в кислих (граніти та інші) 1,58% . У біосфері відбувається виключно різка диференціація Ca, пов'язана головним чином з "карбонатною рівновагою": при взаємодії вуглекислого газу з карбонатом СаСО 3 утворюється бікарбонат Ca(HCO 3) 2: CaCO 3 + H 2 O + CO 2 = Ca(HCO 3) 2 = Са 2+ + 2HCO 3- . Ця реакція є оборотною і є основою перерозподілу Ca. При високому вмісті CO 2 у водах Ca знаходиться в розчині, а при низькому вмісті CO 2 осад випадає мінерал кальцит CaCO 3 утворюючи потужні поклади вапняку, крейди, мармуру.

Величезну роль історії Ca грає і біогенна міграція. У живій речовині з елементів-металів Ca – головний. Відомі організми, які містять більше 10% Ca (більше вуглецю), що будують свій скелет з сполук Ca, головним чином з СаСО 3 (вапняні водорості, багато молюсків, голкошкірі, корали, корененіжки і т. д.). З поховання скелетів мор. тварин і рослин пов'язане накопичення колосальних мас водоростевих, коралових та інших вапняків, які, занурюючись у земні глибини та мінералізуючись, перетворюються на різні види мармуру.

Величезні території з вологим кліматом (лісові зони, тундра) характеризуються дефіцитом Ca – тут він легко вилуговується з ґрунтів. З цим пов'язана низька родючість ґрунтів, низька продуктивність свійських тварин, їх малі розміри, нерідко хвороби скелета. Тому велике значення має вапнування грунтів, підживлення свійських тварин і птахів і т. д. Навпаки, в сухому кліматі СаСО 3 важкорозчинний, тому ландшафти степів і пустель багаті Ca. У солончаках та солоних озерах часто накопичується гіпс CaSO 4 ·2H 2 O.

Річки приносять в океан багато Ca, але він не затримується в океанічній воді (середній вміст 0,04%), а концентрується в скелетах організмів і після їхньої загибелі осаджується на дно переважно у формі CaCO3. Вапняні мули широко поширені на дні всіх океанів на глибинах не більше 4000 м (на великих глибинах відбувається розчинення СаСО 3 організми там нерідко відчувають дефіцит Ca).

Важливу роль міграції Ca грають підземні води. У вапнякових масивах вони місцями енергійно вилуговують CaCO 3 , з чим пов'язаний розвиток карсту, утворення печер, сталактитів та сталагмітів. Крім кальциту, у морях минулих геологічних епох було поширене відкладення фосфатів Ca (наприклад, родовища фосфоритів Каратау в Казахстані), доломіту CaCO 3 ·MgCO 3 , а лагунах при випаровуванні - гіпсу.

У результаті геологічної історії зростало біогенне карбонатообразование, а хімічне осадження кальциту зменшувалося. У докембрійських морях (понад 600 млн років тому) був тварин з вапняним скелетом; вони набули широкого поширення починаючи з кембрію (корали, губки тощо). Це пов'язують із високим вмістом CO 2 в атмосфері докембрію.

Фізичні властивості.Кристалічна решітка α-форми Ca (стійкою за нормальної температури) гранецентрована кубічна, а = 5,56Å. Атомний радіус 1,97 Å, іонний радіус Ca 2+ , 1,04 Å. Щільність 1,54 г/см3 (20 °C). Вище за 464 °C стійка гексагональна β-форма. t пл 851 °C, t кіп 1482 °C; температурний коефіцієнт лінійного розширення 22 · 10 -6 (0-300 ° C); теплопровідність при 20 °C 125,6 Вт/(м·К) або 0,3 кал/(см·сек·°C); питома теплоємність (0-100 °C) 623,9 дж/(кг·К) або 0,149 кал/(г·°C); питомий електроопір при 20 °C 4,6·10 -8 ом·м або 4,6·10 -6 ом·см; температурний коефіцієнт електроопору 4,57 · 10 -3 (20 ° C). Модуль пружності 26 Гн/м2 (2600 кгс/мм2); межа міцності при розтягуванні 60 Мн/м2 (6 кгс/мм2); межа пружності 4 Мн/м 2 (0,4 кгс/мм 2), межа плинності 38 Мн/м 2 (3,8 кгс/мм 2); відносне подовження 50%; твердість по Брінеллю 200-300 Мн/м2 (20-30 кгс/мм2). Кальцій досить високої чистоти пластичний, добре пресується, прокочується та піддається обробці різанням.

Хімічні властивості.Конфігурація зовнішньої електронної оболонки атома Ca 4s 2 відповідно до чого Ca в сполуках 2-валентний. Хімічно Ca дуже активний. При звичайній температурі Ca легко взаємодіє з киснем та вологою повітря, тому його зберігають у герметично закритих судинах або під мінеральною олією. При нагріванні на повітрі або в кисні запалюється, даючи основний оксид CaO. Відомі також пероксиди Ca - CaO 2 та CaO 4 . З холодною водою Ca взаємодіє спочатку швидко, потім реакція уповільнюється внаслідок утворення плівки Ca(OH) 2 . Ca енергійно взаємодіє з гарячою водою та кислотами, виділяючи H 2 (крім концентрованої HNO 3). З фтором реагує на холод, а з хлором і бромом - вище 400 °C, даючи відповідно CaF 2 , CaCl 2 і CaBr 2 . Ці галогеніди в розплавленому стані утворюють з Ca так званих субсполук - CaF, CaCl, в яких Ca формально одновалентний. При нагріванні Ca з сіркою виходить сульфід кальцію CaS, останній приєднує сірку, утворюючи полісульфіди (CaS 2 CaS 4 та інші). Взаємодіючи з сухим воднем при 300-400 °C Ca утворює гідрид CaH 2 - іонне з'єднання, в якому водень є аніоном. При 500 °C Ca та азот дають нітрид Ca 3 N 2 ; взаємодія Ca з аміаком на холоді призводить до комплексного аміакату Ca 6 . При нагріванні без доступу повітря з графітом, кремнієм або фосфором Ca дає відповідно карбід кальцію CaC 2 силіциди Ca 2 Si, CaSi, CaSi 2 і фосфід Ca 3 P 2 . Ca утворює інтерметалеві сполуки з Al, Ag, Au, Cu, Li, Mg, Pb, Sn та інші.

Отримання Кальцію.У промисловості Ca одержують двома способами: 1) нагріванням брикетованої суміші CaO і порошку Al при 1200 °C у вакуумі 0,01-0,02 мм рт. ст.; що виділяються за реакцією: 6CaO + 2 Al = 3CaO·Al 2 O 3 + 3Ca пари Ca конденсуються на холодній поверхні; 2) електролізом розплаву CaCl 2 і KCl з рідким мідно-кальцієвим катодом готують сплав Cu - Ca (65% Ca), з якого Ca відганяють за температури 950-1000 °C у вакуумі 0,1-0,001 мм рт. ст.

Застосування Кальцію.У вигляді чистого металу Ca застосовують як відновник U, Th, Cr, V, Zr, Cs, Rb та деяких рідкісноземельних металів з їх сполук. Його використовують також для розкислення сталей, бронз та інших сплавів, для видалення сірки з нафтопродуктів, для зневоднення органічних рідин, для очищення аргону від домішки азоту та як поглинач газів в електровакуумних приладах. Велике застосування в техніці отримали антифрикційні матеріали системи Pb-Na-Ca, а також сплави Pb-Ca, що служать для виготовлення електричної оболонки. кабелів. Сплав Ca-Si-Ca (силікокальцій) застосовується як розкислювач та дегазатор у виробництві якісних сталей.

Кальцій у організмі. Ca - один із біогенних елементів, необхідних для нормального перебігу життєвих процесів. Він присутній у всіх тканинах та рідинах тварин і рослин. Лише рідкісні організми можуть розвиватися в середовищі, позбавленому Ca. У деяких організмів вміст Ca сягає 38%; у людини – 1,4-2%. Клітини рослинних і тваринних організмів потребують строго певних співвідношеннях іонів Ca 2+ , Na + і K + у позаклітинних середовищах. Рослини отримують Ca з ґрунту. По їх відношенню до Ca рослини поділяють на кальцефіли та кальцефоби. Тварини отримують Ca з їжею та водою. Ca необхідний освіти низки клітинних структур, підтримки нормальної проникності зовнішніх клітинних мембран, запліднення яйцеклітин риб та інших тварин, активації низки ферментів. Іони Ca 2+ передають збудження на м'язове волокно, викликаючи його скорочення, збільшують силу серцевих скорочень, підвищують фагоцитарну функцію лейкоцитів, активують систему захисних білків крові, беруть участь у її згортанні. У клітинах майже весь Ca знаходиться у вигляді сполук з білками, нуклеїновими кислотами, фосфоліпідами, у комплексах з неорганічними фосфатами та органічними кислотами. У плазмі крові людини та вищих тварин тільки 20-40% Ca може бути пов'язане з білками. У тварин, що мають скелет, до 97-99% всього Ca використовується як будівельний матеріал: у безхребетних в основному у вигляді CaCO 3 (раковини молюсків, корали), у хребетних - у вигляді фосфатів. Багато безхребетних запасають Ca перед линянням для побудови нового скелета або для забезпечення життєвих функцій у несприятливих умовах.

Зміст Ca в крові людини та вищих тварин регулюється гормонами паращитовидної та щитовидної залоз. Найважливішу роль цих процесах грає вітамін D. Всмоктування Ca відбувається у передньому відділі тонкого кишечника. Засвоєння Ca погіршується при зниженні кислотності в кишечнику і залежить від співвідношення Ca, P та жиру в їжі. Оптимальні співвідношення Са/Р у коров'ячому молоці близько 1,3 (у картоплі 0,15, у бобах 0,13, у м'ясі 0,016). При надлишку їжі P або щавлевої кислоти всмоктування Ca погіршується. Жовчні кислоти прискорюють його всмоктування. Оптимальні співвідношення Са/жир в їжі людини 0,04-0,08 г Ca на 1 г жиру. Виділення Ca відбувається головним чином через кишківник. Ссавці в період лактації втрачають багато Ca з молоком. При порушеннях фосфорно-кальцієвого обміну у молодих тварин та дітей розвивається рахіт, у дорослих тварин – зміна складу та будови скелета (остеомаляція).