Кальций

Кальций это щелочноземельный металл. Группа 2 элементов современной периодической таблицы Менделеева известны как щелочноземельные металлы (кроме бериллия).

Кальций, будучи щелочноземельным металлом, образует темный оксидно-нитратный слой из-за своей высокой реакционной способности и при воздействии воздуха.

Его физические и химические свойства наиболее похожи на его более тяжелые гомологи стронций и барий.

Кальций химический элемент

Что такое кальций

[Calcium; от лат. calx (calcis) — известь], Са —  химический элемент 2-й группы (устаревший хим. элемент IIА группы периодической системы элементов); ат. н. 20, ат. м. 40,08. Серебристо-белый металл. В соединениях проявляет степень окисления + 2.

Природный кальций состоит из смеси шести стабильных изотопов, среди к-рых преобладает изотоп 40Са (96,97%). Из радиоактивных наибольшее значение имеет изотоп 45Са с периодом полураспада 163,5 дня.

Природные соединения кальция — известняк, мрамор, гипс — уже в глубокой древности применялись в строительном деле.

Металлический кальций получил (1808) англ. химик Г. Дэви. Содержание кальция в земной коре 2,96%. По распространенности в природе занимает пятое место (после кислорода, кремния, алюминия и железа). В свободном состоянии в природе не встречается.

Входит в состав осадочных горных пород и различных минералов: кальцита, известняка, мела, мрамора, доломита, гипса, ангидрита, фосфорита, флюорита и др. Соединения кальция содержатся также в почве и морской воде .

Кристаллическая решетка кальция гранецентрированная кубическая с периодом а = 5,56 А,   переходящая при  т-ре около   450° С   в гексагональную.

Кальций считается самым распространенным металлом, а если говорить о человеческом теле, то это пятый по распространенности элемент в человеческом теле. В физиологических и биохимических процессах организмов и клеток ионы кальция играют важную роль в качестве электролитов.

Физические свойства кальция

Плотность 1,54 г/см3; tпл  851° С; tкип 1482° С; температурный коэфф. линейного   расширения   (т-ра 0—300° С) 22·10-6 град-1; коэфф. теплопроводности 0,3   кал/см · сек-град; удельное электрическое сопротивление 4,6· 10-6 ом·см.

Модуль упругости 2600 кгс/мм2; предел прочности на растяжение 6 кгс/мм2; предел упругости 0,4 кгс/мм2; предел текучести 3,8 кгс/мм2; относительное удлинение 50%; НВ = 20—30.

Химически очень активен и вытесняет почти все металлы из их окислов, сульфидов и галогенидов.

Атомная структура кальция

Ядерный состав атома кальция-40 (атомный номер: 20), наиболее распространенный изотоп этого элемента состоит из 20 протонов и 20 нейтронов. 20 электронов занимают доступные электронные оболочки (кольца).

  • Количество энергетических уровней: 4

  • Первый энергетический уровень: 2

  • Второй энергетический уровень: 8

  • Третий энергетический уровень: 8

  • Четвертый энергетический уровень: 2

  • Таким образом, мы можем видеть, что он имеет 2 электрона в своей валентной оболочке, следовательно, его валентность равна 2. Кристаллическая структура кальция кубическая. Атомные данные кальция следующие:

  • Ковалентный радиус (Å): 1,74

  • Сродство к электрону: 2,369 (кДж моль−1)

  • Электроотрицательность: 1.00 (шкала Полинга)

Атомные данные кальция

Атомный радиус, несвязанный (Å) 2.31
Ковалентный радиус (Å) 1.74
Сродство к электрону (кДж моль−1) 2.369
Электроотрицательность (шкала Полинга) 1.00

Энергии ионизации (кДж моль−1)

1-й 589.83
2-й 1145.447
3-й 4912.368
4-й 6490.57
5-й 8153
6-й 10495.68
7-й 12272.9
8-й 14206.5

Люди знали о кальции и его соединениях до греков и римлян. Римляне использовали известь в своем бетоне и называли ее “Calx”.

Дэви смог отделить чистый кальций в 1808 году. Он был первым химиком, который сделал это.

Химические свойства кальция

При обычной т-ре кальций взаимодействует с кислородом и влагой воздуха, при нагревании воспламеняется  и  сгорает,   образуя окись СаО.

Энергично разлагает воду, легко взаимодействует с галогенами. При нагревании с серой образует сульфид CaS.

С водородом образует гидрид СаН2, со мн. металлами — интерметаллические   соединения  или   твердые  растворы. По хим. св-вам К. подобен стронцию и барию.

Они наблюдаются только во время химической реакции. Эти свойства определяют, как ведет себя кальций при переходе от одного вещества к другому или при взаимодействии с другими веществами. Они:

  1. Химическая формула: Ca

  2. Окисление: Используется в качестве раскислителя в стали

  3. Изотопы: шесть

  4. Соединения: Соединения включают известняк, мрамор, гипс и т. д.

  5. Воспламеняемость: при нагревании на воздухе или в кислороде воспламеняется

  6. Реакционная способность с водой: сначала быстро реагирует с холодной водой, но затем реакция замедляется из-за образования пленки гидроксида кальция:

    Ca(OH)2
  7. Реакционная способность с кислотами: Высокая реакционная способность

Получение кальция

Получают кальций электролитическим или металлотермическим способом.

По электролитическому способу при т-ре 700° С проводят электролиз расплавленной смеси хлористых кальция и калия, используя графитовый анод    и жидкий    медно-кальциевый катод, содержащий в начале процесса 30—35%  Са,  а в конце процесса 62—65% Са.

Металлический   кальций из сплава отгоняют при т-ре 1000° С в вакууме 0,1—0,001   мм рт. ст. Возогнанный К.    содержит   менее 0,5% примесей.

Металлотермический способ получения

По металлотермическому способу измельченную окись смешивают с порошком алюминия, брикетируют и загружают в реторты из хромоникелевой стали.

Восстановление проходит при т-ре 1200° С в вакууме 0,01—0,02 мм рт. ст. Пары конденсируются на холодной части реторты. Чистота получаемого этим способом кальция составляет 98—99%.

Металлотермический способ   перспективнее   электролитического.

Он становится более жестким, как металл серебристого цвета, как только он очищается.

Кальций используется в фейерверках для придания оранжевого цвета.

Применение кальция

Кальций поддается различным видам механической обработки. Товарные формы кальция — отливают листы.

Металлический кальций применяют для восстановления из окислов или галогенидов рубидия, цезия , циркония , ванадия, тория, урана и некоторых редкоземельных металлов.

Для раскисления сталей и бронз, для удаления серы из нефтепродуктов, при очистке инертных газов от азота, для поглощения остаточных газов вакуумных приборах.

Сплавы кальций со свинцом используют как антифрикционные материалы, при изготовлении   аккумуляторных пластин и оболочек электр. кабелей.

Окись кальция  находит применение в стекольном произ-ве,  для футеровки печей, для приготовления гашеной извести, к-рая в смеси с песком используется в качестве строительного раствора (штукатурки). Карбид кальция служит для получения ацетилена.

В виде металла применяют при изготовлении подшипниковых сплавов типа баббита, а также в форме амальгамы в промышленности тонкого органического синтеза.

Применение кальция в медицине и в других сферах

  1. Биологическое использование кальция заключается в обеспечении прочности и структуры скелета. Он жизненно важен для поддержания костей и зубов.

  2. Ионы кальция на поверхности костей взаимодействуют с ионами, присутствующими в жидкостях организма, поэтому обеспечивают ионный обмен, который необходим для поддержания баланса кальция в крови и костях.

  3. Кальций, циркулирующий в крови, участвует в нескольких жизненно важных процессах, включая коагуляцию, передачу нервных сигналов, гормональную сигнализацию и сокращение мышц.

  4. Кальций может быть использован в качестве восстановителя в процессе извлечения металлов.

  5. Кальций также используется в производстве некоторых металлов, в качестве легирующего агента.

  6. Карбонат кальция используется для изготовления цемента и раствора, а также в стекольной промышленности.

Применение солей кальция

Гидрид кальция употребляют для получения редких металлов из окислов, при определении следов воды в органических растворителях, для получения водорода.

Безводный хлористый кальций используют для осушения органических растворителей и газов, как катализатор отвердения некоторых синтетических смол, для полимеризации силиконов.

Пропитывание хлористым кальцием повышает огнестойкость древесины и тканей.  Хлорная известь применяется как отбеливающее средство в целлюлозно-бумажной и текстильной пром-сти, а также как дезинфицирующее средство.

Сульфид кальция применяют для приготовления люминофоров, а также в кожевенной пром-сти для удаления   волос   со шкур. Гидросульфид кальция используют в произ-ве искусственного волокна.

Гораздо шире, чем сам металл, используются соединения кальция. Главными из них являются оксид и гидроксид кальция, различные соли фосфорной кислоты, карбид кальция и некоторые другие.

Наиболее важны для сельского хозяйства фосфаты кальция, а для промышленности оксид и карбид.

В смеси с песком и некоторыми другими веществами известь СаО может быть использована в качестве связующего материала в строительстве, а также при производстве стекол и силикатных эмалей.

Соли кальция как удобрение

Известь СаО применяют и в сельском хозяйстве в двух целях: ее вносят в почву для понижения кислотности почв и в качестве удобрения.

Широкое применение в сельском хозяйстве в качестве удобрения находят фосфаты кальция. Основное значение имеют фосфорит Са3(РO4)2, преципитат СаHРO4 и супер фосфаты (простой Ca(H2PO4) + 2CaSO4 и двойной Са(Н2РO4)2 ).

Фосфорит представляет собой природное соединение. Биологические функции кальция заключаются в создании костного скелета организма, регулировании осмотического давления в клетках и регулировании работы ферментных систем (например, процессов свертывания крови).

Усвоение кальция растущим организмом активно происходит в присутствии витамина D.

Кальций в живых организмах

Кальций содержится во всех живых и мертвых организмах, поскольку он необходим для жизни. Раковины водных животных, яичная скорлупа и раковины улиток состоят в основном из карбоната кальция, который растворяется в кислоте.

Помимо скелетной деятельности, Ca2+ ион важен в сигнальных путях трансдукции, мышечной функции, нейротрансмиссии, оплодотворении и ферментативной активности у млекопитающих и многих видов.

Кальций также содержится в мембране, клеточной стенке и вакуоли растений. Коралловые рифы, которые в основном представляют собой карбонат кальция, являются одним из наиболее важных месторождений кальция.

В течение своей жизни коралл выделяет карбонат кальция и в конечном итоге умирает, позволяя новым кораллам расти поверх их каркаса карбоната кальция.

Эти отложения кальция в течение длительного периода времени образуют огромные рифы, некоторые из которых можно увидеть из космоса.

Фотосинтез в морских растениях предпочтителен в этих областях из-за обилия солнечного света и минералов, таких как кальций, что позволяет рыбам и другим морским обитателям процветать.

Фосфат кальция составляет большинство костей человека. Коровье молоко также богато фосфатом кальция, поэтому человеческое общество поощряет молодежь и других людей, подверженных риску остеопороза, потреблять молоко.

Остеопороз

По оценкам Национальных институтов здравоохранения, половина всех женщин старше 50 лет и четверть всех мужчин старше 50 лет сломают кость в результате остеопороза.

Остеопороз наиболее распространен у белых и азиатских женщин в постменопаузе. У женщин с остеопорозом около 25% будут иметь деформацию позвоночника, а 15% — перелом бедра.

Мужчины также могут сломать бедра из-за остеопороза, хотя и не так часто, как женщины. Переломы бедра связаны с повышенным риском смертности в первый год после перерыва. Остеопороз вызван стечением обстоятельств:

  • Недостаточно кальция в рационе.

  • Возраст старше 50 лет.

  • Небольшое, тонкое телосложение.

  • Семейный анамнез остеопороза.

  • Курение.

  • Использование некоторых лекарств, таких как лечение рака молочной железы, судорожные препараты, стероиды.

Симптомы остеопороза

Симптомы потери костной массы не появляются до тех пор, пока остеопороз не прогрессирует. Остеопороз может вообще не вызывать никаких симптомов на ранних стадиях.

По мере прогрессирования остеопороза могут появляться следующие симптомы:

  • Легко ломать кости.

  • Боль в спине.

  • Сутулая поза.

  • Постепенная потеря высоты.

Характеристика элемента

В атоме кальция завершается заполнение 4s-орбитали. Вместе с калием он образует пару s-элементов четвертого периода.

Различие между энергией внешнего подуровня и нижележащими настолько велико, что кальций, кроме состояния + 2, никаких устойчивых степеней окисления не имеет.

В последнее время стали известны соединения СаСl и CaF, в которых степень окисления кальция +1, но эти вещества еще очень слабо изучены.

Увеличение заряда приводит к более прочному стягиванию внешнего электронного слоя, так что размер атома уменьшается по сравнению с калием почти на 0,5 А.

По величинам радиусов атома и нона кальций ближе к натрию, чем к калию (диагональное сходство). Создаваемое ядром атома потенциальное поле приводит к тому, что ион кальция сильно притягивает от молекулы Н2O группу ОН и вследствие этого протон от Н2O легко отделяется.

Ион Са2+ имеет радиус 0,94 А, что значительно меньше, чем у К+ (2,23 А), поэтому Са2+ поляризуется значительно меньше.

Гидроксид кальция довольно сильное основание. Таким образом, даже у кальция — наименее активного из всех щелочноземельных металлов— характер связи в соединениях ионный.

Свойства простого вещества и соединений

Внешне кальций — серебристо-белый металл (tпл = 849°С, tкип = 1440° С), тверже стронция и бария. На воздухе неустойчив, покрывается желтоватой пленкой продуктов окисления. С водой реагирует бурно с загоранием водорода

Са + 2H2O = Са(OH)2 + H2

2H2 + O2 = 2H2O + Q

При контакте с кислородом образуется в основном оксид, а при повышенном давлении пероксид СаO2. Дает твердый гидрид с водородом при нагревании:

Са + Н2 = СаН2

При температуре красного каления реагирует с азотом:

ЗСа + N2 = Ca3N2

Оксид и гидроксид кальция. Технический оксид кальция готовят прокаливанием известняка:
СаСО3 (t) → СаО + СO2

Полученный продукт называется негашеной известью. При прибавлении к СаО воды протекает процесс гашения:

СаО + Н2O = Са(ОН)2

и получается «гашеная известь» или гидроксид кальция. Обработкой извести углем в электропечах получают карбид:

CaO + 3C = CaC2 + CО

Свойства кальция

Свойства кальция можно разделить на физические и химические.

  1. Физические свойства кальция

Это те свойства, которые можно наблюдать с помощью наших чувств, таких как цвет, блеск, температура замерзания, температура кипения, температура плавления, плотность, твердость и запах. Они наблюдаются без превращения вещества в другое вещество. Они:

  1. Цвет: серебристо-белый металлик

  2. Фаза: твердая

  3. Твердость: относительно мягкий металл

  4. Кристаллическая структура: кубическая

  5. Пластичность: Его можно разбить на чрезвычайно тонкие листы. Его можно отжать, свернуть и разрезать

  6. Податливость: Способность к формированию или изгибу

  7. Температура плавления: Температура плавления составляет 842°C

  8. Температура кипения: Температура кипения составляет 1484°C

Соли минералы кальция

Кальций относится к распространенным элементам. Это объясняется нерастворимостью многих его солей. Основные разновидности их, встречающиеся в природе: кальцит (известняк) СаСO3, фосфорит Са3(РO4)2, ангидрит CaSO4 , важный для металлургии минерал флюорит CaF2.

С хлором металл образует хлорид СаСl2, примечательный тем, что способен жадно впитывать воду. Он является одним из самых широко используемых в химической и медицинской практике осушителей.

Хлорид кальция — один из немногих солей элемента, растворимых в воде, тогда как большинство труднорастворимы: карбонаты, сульфаты, фториды и средние фосфаты.

Этим пользуются в аналитической химии для выделения кальция из раствора. Для отделения иона кальция от очень похожего на него иона магния пользуются нерастворимостью в воде соли щавелевой кислоты кальция СаС2O4.

Образование этой соли в организме служит причиной появления одной из разновидностей почечных камней в организме — оксалатов.

Одним из важнейших соединений, необходимых для техники, является карбид кальция. Его применяют для получения ацетилена при сварке

СаС2 + 2Н2O = Са(OH)2 + CH ≡ CH

а также как полупродукт в производстве цианамида кальция (удобрение) и при изготовлении искусственного каучука

СаС2 + N2 = C +Ca = N — C ≡ N

Фосфаты кальция

Для получения фосфатов кальция прибавляют серную кислоту к фосфориту и в зависимости от количества взятой H2SO4 возникают разные продукты:

( 1 )  Са3(РO4)2 + H2SO4 = CaSO4 + 2СаНРO4

( 2 )  Са3(РO4)2 + 2H2SO4 = 2CaSO4 + Са(Н2РО4)2

( 3 )  Са3(PO4)2 + 3H2SO4 = ЗСаSO4 + 2Н3РO4

Полученные по реакциям (1) и (2) преципитат СаНРO4 и суперфосфат Са(Н2РO4)2 загрязнены гипсом, введение которого в почву повышает содержание CaSO4 в ней, что не желательно.

Поэтому стараются получать фосфорную кислоту по процессу (3) и ею обрабатывают фосфорит:

Са3(РO4)2 + 4Н3РO4 = ЗСа(Н2РО4)2

Преципитат получают обработкой Са(ОН)2 фосфорной кислотой

Са(OH)2 + Н3РO4 = СаНРO4 + 2Н2O

Жесткость воды

С солями кальция (и магния) связано такое понятие, как «жесткость» воды. Чем больше в воде солей этих элементов, тем вода жестче: при нагревании дает накипь (карбонаты), затрудняет окраску и стирку тканей, не годится для ряда производств.

Различают временную и постоянную жесткость, создаваемую гидрокарбонатами Са(НСО3)2, Mg(HCO3)2 и соответственно сульфатами CaSO4, MgSO4, хлоридами СаСl2, MgCl2.

Устранить временную жесткость довольно легко: кипячением, добавкой соды или какой-либо кислоты :
Са(НСO3) (t) → СаСO3↓+ Н2O + СO2

Са(НСO3)2 +Na2CO3 = 2NaHCO3↓ + СаСO3

Са(НСO3)2 + 2HCI = СаСl2 + Н2O + СO2

Труднее устранить постоянную жесткость. Для этого воду пропускают через ионообменники, в которых находятся иониты (чаще всего искусственные смолы), содержащие ионы Na+ или Н+.

Вода, проходя сквозь ионообменники, обменивает ионы кальция и магния, сорбирующиеся на ионитах, на Na+ и Н+.

Часто задаваемые вопросы ответы об кальции?

Какую диету мы должны принимать, чтобы увеличить содержание кальция в нашем организме?

Включайте молочные продукты в свой рацион каждый день. Выбирайте из молока, йогурта, сыра или заварного крема на основе молока.

Листовые зеленые овощи, такие как брокколи, капуста, шпинат, следует есть каждый день.

Ешьте больше рыбы. При отсутствии свежей рыбы следует употреблять в пищу консервированную рыбу, такую как сардины или лосось с оставшимися костями.

Богатые кальцием орехи, такие как бразильские орехи или миндаль, следует принимать в качестве закуски.

Уменьшите потребление кофеина, безалкогольных напитков и алкоголя, поскольку они ингибируют всасывание кальция и должны использоваться в умеренных количествах.

Посыпать кунжутом овощи или салаты. Семена кунжута легко доступны, чтобы быть частью всех блюд и с высоким содержанием кальция.

Как вы удаляете кальций из воды естественным путем?

Для очистки воды достаточно немного карбоната натрия или стиральной соды. Добавление этого вещества в жесткую воду разрушает и удаляет кальций и магний из воды.

Трубы защищены химической обработкой, и процесс обработки безопасен при использовании по назначению. Кальций естественным образом присутствует в воде.

Он может растворяться из горных пород, таких как известняк, мрамор, кальцит, доломит, гипс, флюорит и апатит. Кальций определяет жесткость воды из-за его присутствия в воде в виде ионов Ca2+.

Почему кальций важен для нашего организма?

Кальций необходим для хорошего здоровья. Почти каждая клетка нашего организма каким-то образом использует кальций.

Кальций необходим в различных местах, включая нашу нервную систему, сердце, мышцы и кости. Наши кости сохраняют кальций в дополнение к поддержке нашего тела.

Наши тела любят держать количество кальция в нашей крови в определенном диапазоне. Клетки нашего организма могут оставаться здоровыми и выполнять критические действия в этом диапазоне.

Когда количество кальция в нашей крови падает ниже обычного уровня, наши паращитовидные железы выделяют гормон, известный как паращитовидный гормон.

Наши кости реагируют на ПТГ, высвобождая дополнительный кальций в кровоток. ПТГ также способствует активации витамина D, который улучшает всасывание кальция в кишечнике. Каждый день кальций поступает и выходит из костей, заставляя их восстанавливаться.

Организм вырабатывает новую кость быстрее, чем разрушает существующую кость у детей и подростков, что приводит к увеличению общей костной массы. Это продолжается примерно до 30 лет, когда производство новой кости и распад старой кости начинают происходить с одинаковой скоростью.

Кость разрушается быстрее, чем создается у пожилых людей, особенно у женщин в постменопаузе. Остеопороз может усугубляться недостатком кальция в рационе.

Должен ли я принимать кальциевую добавку?

Пища, которую мы потребляем, и жидкости, которые мы пьем, являются основными источниками кальция.

Вместо того, чтобы зависеть исключительно от добавок, большинство здоровых пациентов должны потреблять хорошо сбалансированную диету. Если вы не получаете достаточного количества кальция через пищу и напитки каждый день, вам может потребоваться принять кальциевую добавку.

Люди с непереносимостью лактозы могут испытывать трудности с получением достаточного количества кальция только из своего рациона. Кроме того, люди, которые испытывают трудности с усвоением кальция из-за желудочно-кишечных заболеваний, могут не получать достаточного количества.

Веганы, а также те, кто потребляет много белка и соли, могут испытывать дефицит кальция. Количество кальция, поглощенного из добавок, определяется структурой добавки, тем, насколько хорошо кальций растворяется в кишечнике, и уровнем кальция в организме.

Лит.: Доронин Н. А..   Металлургия кальция.

Статья на тему кальций

Понравилась статья поделись ей

Leave a Comment