(первый электрон)
История и происхождение названия
Название элемента происходит от лат. calx (в родительном падеже calcis ) - «известь», «мягкий камень». Оно было предложено английским химиком Гемфри Дэви , в 1808 г. выделившим металлический кальций электролитическим методом . Дэви подверг электролизу смесь влажной гашёной извести с на платиновой пластине, которая являлась анодом . Катодом служила платиновая проволока, погруженная в жидкую . В результате электролиза получалась амальгама кальция. Отогнав из неё ртуть, Дэви получил металл , названный кальцием.
Изотопы
Кальций встречается в природе в виде смеси шести изотопов : 40 Ca, 42 Ca, 43 Ca, 44 Ca, 46 Ca и 48 Ca, среди которых наиболее распространённый - 40 Ca - составляет 96,97 %. Ядра кальция содержат магическое число протонов: Z
= 20
. Изотопы 40
20
Ca20
и 48
20
Ca28
являются двумя из пяти существующих в природе дважды магических ядер .
Из шести природных изотопов кальция пять стабильны. Шестой изотоп 48 Ca, самый тяжёлый из шести и весьма редкий (его изотопная распространённость равна всего 0,187 %), испытывает двойной бета-распад с периодом полураспада (4,39 ± 0,58)⋅10 19 лет .
В горных породах и минералах
Кальций, энергично мигрирующий в земной коре и накапливающийся в различных геохимических системах, образует 385 минералов (четвёртое место по числу минералов).
Большая часть кальция содержится в составе силикатов и алюмосиликатов различных горных пород (граниты , гнейсы и т. п.), особенно в полевом шпате - анортите Ca.
Довольно широко распространены такие минералы кальция, как кальцит CaCO 3 , ангидрит CaSO 4 , алебастр CaSO 4 ·0.5H 2 O и гипс CaSO 4 ·2H 2 O, флюорит CaF 2 , апатиты Ca 5 (PO 4) 3 (F,Cl,OH), доломит MgCO 3 ·CaCO 3 . Присутствием солей кальция и магния в природной воде определяется её жёсткость .
Осадочная порода, состоящая в основном из скрытокристаллического кальцита - известняк (одна из его разновидностей - мел). Под действием регионального метаморфизма известняк преобразуется в мрамор .
Миграция в земной коре
В естественной миграции кальция существенную роль играет «карбонатное равновесие», связанное с обратимой реакцией взаимодействия карбоната кальция с водой и углекислым газом с образованием растворимого гидрокарбоната:
C a C O 3 + H 2 O + C O 2 ⇄ C a (H C O 3) 2 ⇄ C a 2 + + 2 H C O 3 − {\displaystyle {\mathsf {CaCO_{3}+H_{2}O+CO_{2}\rightleftarrows Ca(HCO_{3})_{2}\rightleftarrows Ca^{2+}+2HCO_{3}^{-}}}}(равновесие смещается влево или вправо в зависимости от концентрации углекислого газа).
Огромную роль играет биогенная миграция.
В биосфере
Соединения кальция находятся практически во всех животных и растительных тканях (см. ниже). Значительное количество кальция входит в состав живых организмов. Так, гидроксиапатит Ca 5 (PO 4) 3 OH, или, в другой записи, 3Ca 3 (PO 4) 2 ·Са(OH) 2 - основа костной ткани позвоночных, в том числе и человека; из карбоната кальция CaCO 3 состоят раковины и панцири многих беспозвоночных, яичная скорлупа и др. В живых тканях человека и животных 1,4-2 % Са (по массовой доле); в теле человека массой 70 кг содержание кальция - около 1,7 кг (в основном в составе межклеточного вещества костной ткани).
Получение
Свободный металлический кальций получают электролизом расплава , состоящего из CaCl 2 (75-80 %) и KCl или из CaCl 2 и CaF 2 , а также алюминотермическим восстановлением CaO при 1170-1200 °C 4 C a O + 2 A l → C a A l 2 O 4 + 3 C a {\displaystyle {\mathsf {4CaO+2Al\rightarrow CaAl_{2}O_{4}+3Ca}}}
Физические свойства
Металл кальций существует в двух аллотропных модификациях . До 443 °C устойчив α -Ca с кубической гранецентрированной решеткой (параметр а = 0,558 нм ), выше устойчив β -Ca с кубической объемно-центрированной решеткой типа α -Fe (параметр a = 0,448 нм ). Стандартная энтальпия Δ H 0 {\displaystyle \Delta H^{0}} перехода α → β составляет 0,93 кДж/моль .
При постепенном повышении давления начинает проявлять свойства полупроводника , но не становится полупроводником в полном смысле этого слова (металлом уже тоже не является). При дальнейшем повышении давления возвращается в металлическое состояние и начинает проявлять сверхпроводящие свойства (температура сверхпроводимости в шесть раз выше, чем у ртути, и намного превосходит по проводимости все остальные элементы). Уникальное поведение кальция похоже во многом на стронций (то есть параллели в периодической системе сохраняются) .
Химические свойства
В ряду стандартных потенциалов кальций расположен слева от водорода . Стандартный электродный потенциал пары Ca 2+ /Ca 0 −2,84 В , так что кальций активно реагирует с водой, но без воспламенения:
C a + 2 H 2 O → C a (O H) 2 + H 2 . {\displaystyle {\mathsf {Ca+2H_{2}O\rightarrow Ca(OH)_{2}+H_{2}\uparrow .}}}Наличие в воде растворенного гидрокарбоната кальция во многом определяет вре́менную жёсткость воды. Вре́менной её называют потому, что при кипячении воды гидрокарбонат разлагается, и в осадок выпадает СаСО 3 . Это явление приводит, например, к тому, что в чайнике со временем образуется накипь .
Применение
Главное применение металлического кальция - это использование его как восстановителя при получении металлов, особенно никеля, меди и нержавеющей стали. Кальций и его гидрид используются также для получения трудно восстанавливаемых металлов, таких, как хром , торий и уран . Сплавы кальция со свинцом применяются в некоторых видах аккумуляторных батарей и при производстве подшипников. Кальциевые гранулы используются также для удаления следов воздуха из электровакуумных приборов. Чистый металлический кальций широко применяется в металлотермии при получении редкоземельных элементов .
Кальций широко применяется в металлургии для раскисления стали наряду с алюминием или в сочетании с ним. Внепечная обработка кальцийсодержащими проволоками занимает ведущее положение в связи с многофакторностью влияния кальция на физико-химическое состояние расплава, макро- и микроструктуры металла, качество и свойства металлопродукции и является неотъемлемой частью технологии производства стали . В современной металлургии для ввода в расплав кальция используется инжекционная проволока, представляющая из себя кальций (иногда силикокальций или алюмокальций) в виде порошка или прессованного металла в стальной оболочке. Наряду с раскислением (удалением растворенного в стали кислорода) использование кальция позволяет получить благоприятные по природе, составу и форме неметаллические включения, не разрушающиеся в ходе дальнейших технологических операций .
Изотоп 48 Ca - один из эффективных и употребительных материалов для производства сверхтяжёлых элементов и открытия новых элементов таблицы Менделеева . Это связано с тем, что кальций-48 является дважды магическим ядром , поэтому его устойчивость позволяет ему быть достаточно нейтроноизбыточным для лёгкого ядра; при синтезе сверхтяжёлых ядер необходим избыток нейтронов.
Биологическая роль
Концентрация кальция в крови из-за её важности для большого числа жизненно важных процессов точно регулируется, и при правильном питании и достаточном потреблении обезжиренных молочных продуктов и витамина D дефицита не возникает. Длительный дефицит кальция и/или витамина D в диете приводит к увеличению риска остеопороза , а в младенчестве вызывает рахит .
Примечания
- Твёрдость по Бринеллю 200-300 МПа
- Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O’Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu. Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry . - 2013. - Vol. 85 , no. 5 . - P. 1047-1078 . - DOI :10.1351/PAC-REP-13-03-02 .
- Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.). Химическая энциклопедия: в 5 т. - Москва: Советская энциклопедия, 1990. - Т. 2. - С. 293. - 671 с. - 100 000 экз.
- Riley J.P. and Skirrow G. Chemical Oceanography V. 1, 1965.
- Pritychenko B. Systematics of Evaluated Half-lives of Double-beta Decay // Nuclear Data Sheets. - 2014. - Июнь (т. 120 ). - С. 102-105 . - ISSN 0090-3752 . - DOI :10.1016/j.nds.2014.07.018 . [исправить]
- Pritychenko B. List of Adopted Double Beta (ββ) Decay Values (неопр.) . National Nuclear Data Center, Brookhaven National Laboratory. Проверено 6 декабря 2015.
- Справочник химика / Редкол.: Никольский Б. П. и др. - 2-е изд., испр. - М.-Л.: Химия, 1966. - Т. 1. - 1072 с.
- Газета. Ру: Элементы под давлением
- Кальций // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров . - 3-е изд. - М. : Советская энциклопедия, 1969-1978.
- Дюдкин Д. А., Кисиленко В. В. Влияние различных факторов на усвоение кальция из порошковой проволоки с комплексным наполнителем СК40 (рус.) // Электрометаллургия: журнал. - 2009. - Май (№ 5 ). - С. 2-6 .
- Михайлов Г. Г., Чернова Л. А. Термодинамический анализ процессов раскисления стали кальцием и алюминием (рус.) // Электрометаллургия: журнал. - 2008. - Март (№ 3 ). - С. 6-8 .
- Shell Model of Nucleus
- Institute of Medicine (US) Committee to Review Dietary Reference Intakes for Vitamin D and Calcium; Ross AC, Taylor CL, Yaktine AL, Del Valle HB, editors (2011).
Из него сложен костный скелет, но организм не способен вырабатывать элемент самостоятельно. Речь о кальции. Взрослым женщинам и мужчинам в сутки необходимо получать не менее 800-от миллиграммов щелочноземельного металла. Извлечь его удается из овсянки, фундука, молока, ячневой крупы, сметаны, фасоли, миндаля.
Кальций содержится и в горохе, горчице, твороге. Правда, если сочетать их со сладостями, кофе, колой и продуктами, богатыми щавелевой кислотой, усвояемость элемента падает.
Желудочная среда становится щелочной, кальций захватывается в нерастворимые и выводится из организма. Кости и зубы начинают разрушаться. Что же такого в элементе, раз он стал одним из самых важных для живых существ и есть ли веществу применение вне их организмов?
Химические и физические свойства кальция
В периодической системе элемент занимает 20-е место. Оно находится в главной подгруппе 2-ой группы. Период, к которому принадлежит кальций, 4-ый. Это значит, что у атома вещества 4 электронных уровня. На них расположены 20 электронов, на что указывает атомный номер элемента. Он же свидетельствует и о его заряде — +20.
Кальций в организме , как и природе, — щелочноземельный металл. Значит, в чистом виде элемент серебристо-белый, блестящий и легкий. Твердость щелочноземельных металлов выше, чем у щелочных.
Показатель кальция – около 3-х баллов по . Такой же твердостью обладает, к примеру, гипс. 20-ый элемент режется ножом, но значительно труднее, чем любой из просто щелочных металлов.
В чем суть названия «щелочноземельный»? Так кальций и другие металлы его группы окрестили алхимики. Оксиды элементов они именовали землями. Оксиды веществ группы кальция сообщают воде щелочную среду.
Однако, , радий, барий, как и 20-ый элемент, встречаются не только в сочетании с кислородом. В природе много солей кальция. Наиболее известная из них – минерал кальцит. Углекислая форма металла – небезызвестные мел, известняк и гипс. Каждый из них, это карбонат кальция .
Есть у 20-го элемента и летучие соединения. Они окрашивают пламя в оранжево-красный, что становится одним из маркеров для определения веществ.
Горят все щелочноземельные металлы легко. Чтобы кальций вступил в реакцию с кислородом, достаточно обычных условий. Только вот в природе элемент не встречается в чистом виде, лишь в соединениях.
Окси кальция – пленка, которой покрывается металл, окажись он на воздухе. Налет желтоватый. В нем скрыты не только стандартные окислы, но и перекиси, нитриды. Окажись кальций не на воздухе, а в воде, он вытеснит из нее водород.
При этом, выпадает осадок – гидроксид кальция . Остатки чистого металла всплывают на поверхность, подталкиваемые пузырьками водорода. Та же схема работает и с кислотами. С соляной, например, в осадок выпадает хлорид кальция и выделяется водород.
Для некоторых реакций нужна повышенная температура. Если она дойдет до 842-х градусов, кальций можно расплавить. При 1 484-х по шкале Цельсия металл закипает.
Раствор кальция , как и чистый элемент, хорошо проводит тепло и электрический ток. Но, если вещество сильно нагрето, металлические свойства теряются. То есть, их нет ни у расплавленного, ни у газообразного кальция.
В организме человека элемент представлен и твердым, и жидким агрегатным состояниями. Размягченный кальций вода , которая присутствует в , переносит легче. За пределами костей находится лишь 1% 20-го вещества.
Однако, его транспортировка по тканям играет важную роль. Кальций крови регулирует сокращение мышц, в том числе и сердечных, поддерживает в норме артериальное давление.
Применение кальция
В чистом виде металл находит применение в . Они идут на аккумуляторные решетки. Присутствие в сплаве кальция на 10-13% снижает саморазряд батарей. Это особенно важно для стационарных моделей. Из смеси свинца и 20-го элемента изготавливают, так же подшипники. Один из сплавов так и называется – подшипниковый.
На фото продукты, содержащие кальций
В сталь щелочноземельный металл добавляют, чтобы очистить сплав от примесей серы. Восстановительные свойства кальция пригождаются и при производстве урана, хрома, цезия, рубидия, .
Какой кальций применяют в черной металлургии? Все тот же чистый. Разница в назначении элемента. Теперь, он играет роль . Это добавка к сплавам, снижающая температуру их формирования и облегчающая отделение шлаков. Гранулы кальция засыпают в электровакуумные приборы, чтобы удалить из них следы воздуха.
48-ой изотоп кальция пользуется спросом на атомных предприятиях. Там производят сверхтяжелые элементы. Сырье получают на ускорителях ядер. Разгоняют их при помощи ионов – своеобразных снарядов. Если в их роли выступает Ca48, эффективность синтеза увеличивается в сотни раз по сравнению с использованием ионов других веществ.
В оптике 20-ый элемент ценят уже в качестве соединений. Фторид и вольфрамат кальция становятся линзами, объективами и призмами астрономических приборов. Встречаются минералы и в лазерной технике.
Фторид кальция геологи именуют флюоритом, а вольфрамид – шеелитом. Для оптической промышленности отбирают их монокристаллы, то есть отдельные, крупные агрегаты с непрерывной решеткой и четкой формой.
В медицине, так же, прописывают не чистый металл, а вещества на его основе. Они проще усваиваются организмом. Глюконат кальция – наиболее дешевое средство, используется при остеопорозе. Препарат «Кальций Магний » прописывают подросткам, беременным женщинам и пожилым гражданам.
Им БАД нужен, чтобы обеспечить повышенную потребность организма в 20-ом элементе, избежать патологий развития. Кальциево-фосфорный обмен регулирует «Кальций Д3» . «Д3» в названии средства говорит о наличии в нем витамина D. Он редок, но нужен для полноценного усвоения кальция .
Инструкция к «Кальцию никомед3» указывает, что препарат относится к фармацевтическим составам комбинированного действия. То же говорится и о хлористом кальции . Он не только восполняет дефицит 20-го элемента, но и спасает от интоксикаций, а так же, способен заместить плазму крови. При некоторых патологических состояниях это бывает необходимо.
В аптеках выставлен и препарат «Кальций – кислота аскорбиновая». Такой дуэт прописывают при беременности, во время кормления грудью. Нуждаются в добавке и подростки.
Добыча кальция
Кальций в продуктах , минералах, соединениях, известен человечеству издревле. В чистом же виде металл выделили лишь в 1808-ом году. Удача улыбнулась Хемфри Дэви. Английский физик добыл кальций путем электролиза расплавленных солей элемента. Этот способ применяют и сейчас.
Однако, промышленники чаще прибегают ко второму методу, открытому уже после изысканий Хемфри. Кальций восстанавливают из его оксида. Реакцию запускают порошком , иногда, . Взаимодействие проходит в условиях вакуума при повышенных температурах. Впервые выделили кальций таким путем в середине прошлого века, в США.
Цена кальция
Производителей металлического кальция немного. Так, в России поставками занимается, в основном, Чапецкий Механический завод. Он находится в Удмуртии. Предприятие торгует гранулами, стружкой и кусковым металлом. Ценник за тонну сырья держится в районе 1 500 долларов.
Товар предлагают и некоторые химические лаборатории, к примеру, общество «Русский Химик». Последнее, предлагает 100-граммовый кальций. Отзывы свидетельствуют, что это порошок под маслом. Стоимость одной упаковки – 320 рублей.
Кроме предложений купить реальный кальций, в интернете торгуют и бизнес-планами по его производству. Примерно за 70 страниц теоретических выкладок просят около 200-от рублей. Большинство планов составлено в 2015-ом году, то есть, еще не утратили актуальность.
Природные соединения кальция (мел, мрамор, известняк, гипс) и продукты их простейшей переработки (известь) были известны людям с древних времен. В 1808 г. английский химик Хэмфри Дэви подверг электролизу влажную гашеную известь (гидроксид кальция) с ртутным катодом и получил амальгаму кальция (сплав кальция с ртутью). Из этого сплава, отогнав ртуть Дэви получил чистый кальций.
Он же предложил название нового химического элемента, от латинского "сalx" обозначавшего название известняка, мела и других мягких камней.
Нахождение в природе и получение:
Кальций - пятый по распространенности элемент в земной коре (более 3%), образует множество пород, в основе многих из которых - карбонат кальция. Некоторые из этих пород имеют органическое происхождение (ракушечник), показывающее важную роль кальция в живой природе.
Природный кальций - смесь 6 изотопов с массовыми числами от 40 до 48, причем на 40 Ca приходится 97% общего количества. Ядерными реакциями получены и другие изотопы кальция, например радиоактивный 45 Ca .
Для получения простого вещества кальция используется электролиз расплавов его солей или алюмотермия:
4CaO + 2Al = Ca(AlO 2) 2 + 3Ca
Физические свойства:
Серебристо-серый металл с кубической гранецентрированной решеткой, значительно более твердый, чем щелочные металлы. Температура плавления 842°C, кипения 1484°C, плотность 1,55 г/см 3 . При высоких давлениях и температурах около 20K переходит в состояние сверхпроводника.
Химические свойства:
Кальций не столь активен как щелочные металлы, тем не менее его приходится хранить под слоем минерального масла или в плотно запаянных металлических барабанах. Уже при обычной температуре он реагирует с кислородом и азотом воздуха, а также с водяными парами. При нагревании сгорает на воздухе красно-оранжевым пламенем, образуя оксид с примесью нитридов. Подобно магнию кальций продолжает гореть в атмосфере углекислого газа. При нагревании реагирует с другими неметаллами, образую не всегда очевидные по составу соединения, например:
Ca + 6B = CaB 6 или Ca + P => Ca 3 P 2 (а также CaP или CaP 5)
Во всех своих соединениях кальций имеет степень окисления +2.
Важнейшие соединения:
Оксид кальция CaO - ("негашёная известь") вещество белого цвета, щелочной оксид, энергично реагирует с водой ("гасится") переходя в гидроксид. Получают термическим разложением карбоната кальция.
Гидроксид кальция Ca(OH) 2 - ("гашёная известь") белый порошок, мало растворим в воде (0,16г/100г), сильная щелочь. Раствор ("известковая вода") используется для обнаружения углекислого газа.
Карбонат кальция CaCO 3
- основа большинства природных минералов кальция (мел, мрамор, известняк, ракушечник, кальцит, исландский шпат). В чистом виде вещество белого цвета или бесцв. кристаллы, При нагревании (900-1000 С) разлагается, образуя оксид кальция. Не р-рим, реагирует с кислотами, способен растворяться в воде, насыщенной углекислым газом, переходя в гидрокарбонат: CaCO 3 + CO 2 + H 2 O = Ca(HCO 3) 2 . Обратный процесс приводит к появлению отложений карбоната кальция, в частности таких образований, как сталактиты и сталагмиты
Встречается в природе также в составе доломита CaCO 3 *MgCO 3
Сульфат кальция CaSO 4 - вещество белого цвета, в природе CaSO 4 *2H 2 O ("гипс", "селенит"). Последний при осторожном нагревании (180 С) переходит в CaSO 4 *0,5H 2 O ("жжёный гипс", "алебастр") - белый порошок, при замешивании с водой снова образующий CaSO 4 *2H 2 O в виде твердого, достаточно прочного материала. Мало растворим в воде, в избытке серной кислоты способен растворяться, образуя гидросульфат.
Фосфат кальция Ca 3 (PO 4) 2 - ("фосфорит"), нерастворим, под действием сильных кислот переходит в более растворимые гидро- и дигидрофосфаты кальция. Исходное сырье для получения фосфора, фосфорной кислоты, фосфорных удобрений. Фосфаты кальция входят также в состав апатитов, природных соединений с примерной формулой Са 5 3 Y, где Y = F, Cl, или ОН, соответственно фтор-, хлор-, или гидроксиапатит. Наряду с фосфоритом апатиты входят в состав костного скелета многих живых организмов, в т.ч. и человека.
Фторид кальция CaF 2 - (природн.: "флюорит", "плавиковый шпат"), нерастворимое в-во белого цвета. Природные минералы имеют разнообразные окраски, обусловленные примесями. Светится в темноте при нагревании и при УФ-облучении. Увеличивает текучесть ("плавкость") шлаков при получении металлов, чем обусловлено его применение в качестве флюса.
Хлорид кальция CaCl 2 - бесцв. крист. в-во хорошо р-римое в воде. Образует кристаллогидрат CaCl 2 *6H 2 O. Безводный ("плавленый") хлорид кальция - хороший осушитель.
Нитрат кальция Ca(NO 3) 2 - ("кальциевая селитра") бесцв. крист. в-во хорошо р-римое в воде. Составная часть пиротехнических составов, придающее пламени красно-оранжевый цвет.
Карбид кальция CaС 2 - реагирует с водой, к-тами образуя ацетилен, напр.: CaС 2 + H 2 O = С 2 H 2 + Ca(OH) 2
Применение:
Металлический кальций используется как сильный восстановитель при получении некоторых трудновосстанавлиевых металлов ("кальциетермия"): хром, РЗЭ, торий, уран и др. В металлургии меди, никеля, специальных сталей и бронз кальций и его сплавы используется для удаления вредных примесей серы, фосфора, избыточного углерода.
Кальций используется также для связывания малых количеств кислорода и азота при получении глубокого вакуума и очистке инертных газов.
Нейтрон-избыточные ионы 48 Ca используются для синтеза новых химических элементов, например элемента №114, . Другой изотоп кальция, 45 Ca , используется как радиоактивная метка при исследованиях биологической роли кальция и его миграции в окружающей среде.
Основной областью применения многочисленных соединений кальция является производство строительных материалов (цемент, строительные смеси, гипсокартон и т.д.).
Кальций один из макроэлементов в составе живых организмов, образуя соединения необходимые для построения как внутреннего скелета позвоночных животных, так и внешнего многих беспозвоночных, скорлупу яиц.
Ионы кальция также участвуют в регуляции внутриклеточных процессов, обуславливают свертываемость крови. Нехватка кальция в детском возрасте приводит к рахиту, в пожилом - к остеопорозу. Источником кальция служат молочные продукты, гречка, орехи, а его усвоению способствует витамин D.
При нехватке кальция используются различные препараты: кальцекс, раствор хлорида кальция, глюконат кальция и др.
Массовая доля кальция в организме человека 1,4-1,7%, суточная потребность 1-1,3 г (в зависимости от возраста). Избыточное потребление кальция может привести к гиперкальцемии - отложению его соединений во внутренних органах, образованию тромбов в кровеносных сосудах.
Источники:
Кальций (элемент) // Википедия. URL:
http://ru.wikipedia.org/wiki/Кальций (дата обращения: 3.01.2014).
Популярная библиотека химических элементов:
Кальций. // URL: http://n-t.ru/ri/ps/pb020.htm (3.01.2014).
Ка́льций - элемент главной подгруппы второй группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов , с атомным номером 20. Обозначается символом Ca (лат. Calcium). Простое вещество кальций (CAS-номер: 7440-70-2) - мягкий, химически активный щёлочноземельный металл серебристо-белого цвета.
История и происхождение названия
Название элемента происходит от лат. calx (в родительном падеже calcis) - «известь», «мягкий камень». Оно было предложено английским химиком Хэмфри Дэви, в 1808 г. выделившим металлический кальций электролитическим методом. Дэви подверг электролизу смесь влажной гашёной извести с оксидом ртути HgO на платиновой пластине, которая являлась анодом. Катодом служила платиновая проволока, погруженная в жидкую ртуть. В результате электролиза получалась амальгама кальция. Отогнав из неё ртуть, Дэви получил металл, названный кальцием.
Соединения кальция - известняк, мрамор, гипс (а также известь - продукт обжига известняка) применялись в строительном деле уже несколько тысячелетий назад. Вплоть до конца XVIII века химики считали известь простым телом. В 1789 году А. Лавуазье предположил, что известь, магнезия, барит, глинозём и кремнезём - вещества сложные.
Получение
Свободный металлический кальций получают электролизом расплава, состоящего из CaCl 2 (75-80 %) и KCl или из CaCl 2 и CaF 2 , а также алюминотермическим восстановлением CaO при 1170-1200 °C:
4CaO + 2Al → CaAl 2 O 4 + 3Ca.
Физические свойства
Металл кальций существует в двух аллотропных модификациях. До 443 °C устойчив α-Ca с кубической гранецентрированной решеткой (параметр а = 0,558 нм), выше устойчив β-Ca с кубической объемно-центрированной решеткой типа α-Fe (параметр a = 0,448 нм). Стандартная энтальпия ΔH 0 перехода α → β составляет 0,93 кДж/моль.
При постепенном повышении давления начинает проявлять свойства полупроводника, но не становится полупроводником в полном смысле этого слова (металлом уже тоже не является). При дальнейшем повышении давления возвращается в металлическое состояние и начинает проявлять сверхпроводящие свойства (температура сверхпроводимости в шесть раз выше, чем у ртути, и намного превосходит по проводимости все остальные элементы). Уникальное поведение кальция похоже во многом на стронций (т. е. параллели в периодической системе сохраняются).
Химические свойства
Кальций - типичный щелочноземельный металл. Химическая активность кальция высока, но ниже, чем всех других щелочноземельных металлов. Он легко взаимодействует с кислородом, углекислым газом и влагой воздуха, из-за чего поверхность металлического кальция обычно тускло серая, поэтому в лаборатории кальций обычно хранят, как и другие щелочноземельные металлы, в плотно закрытой банке под слоем керосина или жидкого парафина.
Кальций весьма распространен в природе в форме различных соединений. В земной коре он занимает пятое место, составляя 3,25%, и чаще всего встречается в виде известняка CaCO3, доломита CaCO3*MgCO3, гипса CaSO4*2Н2О, фосфорита Ca3(PO4)2 и плавикового шпата CaF2, не считая значительной доли кальция в составе силикатных пород. В морской воде содержится в среднем 0,04% (вес) кальция
Физические и химические свойства кальция
Кальций находится в подгруппе щелочноземельных металлов II группы периодической системы элементов; порядковый номер 20, атомный вес 40,08, валентность 2, атомный объем 25,9. Изотопы кальция: 40 (97%), 42 (0,64%), 43 (0,15%), 44 (2,06%), 46 (0 003%), 48 (0,185%). Электронная структура атома кальция: 1s2, 2s2p6, 3s2p6, 4s2. Радиус атома 1,97 А, радиус иона 1,06 А. До 300° кристаллы кальция имеют форму куба с центрированными гранями и размером стороны 5,53 А, выше 450° - гексагональную форму. Удельный вес кальция 1,542, температура плавления 851°, температура кипения 1487°, теплота плавления 2,23 ккал/молщ теплота парообразования 36,58 ккал/моль. Атомная теплоемкость твердого кальция Cр = 5,24 + 3,50*10в-3 T для 298-673° К и Cp = 6,29+1,40*10в-3T для 673-1124° К; для жидкого кальция Cp = 7,63. Энтропия твердого кальция 9.95 ± 1, газообразного при 25° 37,00 ± 0,01.
Упругость пара твердого кальция исследована Ю.А. Приселковым и А.Н. Несмеяновым, П. Дугласом и Д. Томлиным. Значения упругости насыщенного пара кальция приведены в табл. 1.
По теплопроводности кальций приближается к натрию и калию, при температурах 20-100° коэффициент линейного расширения 25*10в-6, при 20° удельное электросопротивление 3,43 мк ом/см3, от 0 до 100° температурный коэффициент электрического сопротивления 0,0036. Электрохимический эквивалент 0,74745 г/а*ч. Предел прочности кальция 4,4 кг/мм2, твердость по Бринелю 13, удлинение 53%, относительное сужение 62%.
Кальций имеет серебристо-белый цвет, в изломе блестит. На воздухе металл покрывается тонкой голубовато серой пленкой из нитрида, окиси и частично перекиси кальция. Кальций гибок и ковок; его можно обрабатывать на токарном станке, сверлить, резать, пилить, прессовать, волочить и т. д. Чем чище металл, тем больше его пластичность.
В ряду напряжений кальций расположен среди наиболее электроотрицательных металлов, чем и объясняется его большая химическая активность. При комнатной температуре кальций с сухим воздухом не реагирует, при 300° и выше интенсивно окисляется, при сильном нагреве сгорает ярким оранжево-красноватым пламенем. Во влажном воздухе кальций постепенно окисляется, превращаясь в гидроокись; с холодной водой реагирует сравнительно медленно, но из горячей воды энергично вытесняет водород, образуя гидроокись.
Азот реагирует с кальцием заметно при температуре 300° и очень интенсивно при 900° с образованием нитрида Ca3N2. С водородом при температуре 400° кальций образует гидрид CaH2. С сухими галогенами, за исключением фтора, при комнатной температуре кальций не связывается; интенсивное образование галогенидов происходит при 400° и выше.
Крепкая серная (65-60° Be) и азотная кислоты действуют на чистый кальций слабо. Из водных растворов минеральных кислот очень сильно действует соляная, сильно - азотная и слабо - серная. В концентрированных растворах NaOH и в растворах соды кальций почти не разрушается.
Применение
Кальций находит все возрастающее применение в различных отраслях производства. В последнее время он приобрел большое значение как восстановитель при получении ряда металлов. Чистый металлический уран получается восстановлением металлическим кальцием фтористого урана. Кальцием или его гидридами можно восставав пивать окислы титана, а также окислы циркония, тория, тантала, ниобия и других редких металлов. Кальций является хорошим раскислителем и дегазатором при получении меди, никеля, хромоникелевых сплавов, специальных сталей, никелевых и оловянистых бронз, он удаляет из металлов и сплавов серу, фосфор, углерод.
Кальций образует с висмутом тугоплавкие соединения, поэтому его применяют для очистки свинца от висмута.
Кальций добавляют в различные легкие сплавы. Он способствует улучшению поверхности слитков, мелкозернистости и понижению окисляемости. Большое распространение имеют содержащие кальций подшипниковые сплавы. Свинцовые сплавы (0,04% Ca) могут применяться для изготовления оболочек кабеля.
Кальций применяют для дегидратации алкоголей и растворителей для десульфуризации нефтепродуктов. Сплавы кальция с цинком или с цинком и магнием (70% Ca) идут для производства высококачественного пористого бетона. Кальций входит в состав антифрикционных сплавов (свинцовокальциевых баббитов).
Благодаря способности связывать кислород и азот кальций или сплавы кальция с натрием и другими металлами применяют для очистки благородных газов и как геттер в вакуумной радиоаппаратуре. Кальций применяется также для получения гидрида, который является источником водорода в полевых условиях. С углеродом кальций образует карбид кальция CaC2, применяемый в больших количествах для получения ацетилена C2H2.
История развития
Деви впервые получил кальций в виде амальгамы в 1808 г., применив электролиз влажной извести с ртутным катодом. Бунзен в 1852 г. электролизом солянокислого раствора хлористого кальция получил амальгаму с высоким содержанием кальция. Бунзен и Матиссен в 1855 г. электролизом CaCl2 и Муассан электролизом CaF2 получили кальций в чистом виде. В 1893 г. Борхерс существенно улучшил электролиз хлористого кальция, применив охлаждение катода; Арндт в 1902 г. получил электролизом металл, содержавший 91,3% Ca. Руфф и Плата для снижения температуры электролиза применили смесь из CaCl2 и CaF2; Борхерс и Стокем при температуре ниже точки плавления кальция получали губку.
Задачу электролитического получения кальция решили Ратенау и Зютер, предложив метод электролиза с катодом касания, который вскоре стал промышленным. Было много предложений и попыток получать кальциевые сплавы электролизом, особенно на жидком катоде. По Ф.О. Банзелю, можно получить сплавы кальция электролизом CaF2 с добавками солей или фторокисей других металлов. Пулене и Meлан получали сплав Ca-Al на жидком алюминиевом катоде; Кюгельген и Сьюард получили сплав Ca-Zn на цинковом катоде. Получение сплавов Ca-Zn исследовали в 1913 г. В. Мольденгауер и Дж. Андерсен, они же получали на свинцовом катоде сплавы Pb-Ca. Коба, Симкинс и Гире применяли электролизер со свинцовым катодом на 2000 а и получали сплав с 2% Ca при выходе по току 20%. И. Целиков и В. Вазингер добавляли в электролит NaCl, чтобы получить сплав с натрием; Р.Р. Сыромятников перемешивал сплав и добивался 40-68%-ного выхода по току. Кальциевые сплавы со свинцом, цинком и медью получают электролизом в промышленном масштабе
Значительный интерес вызвал термический способ получения кальция. Алюминотермическое восстановление окислов открыл в 1865 г. H.H. Бекетов. В 1877 г. Малет обнаружил при нагревании взаимодействие смеси окислов кальция, бария и стронция с алюминием Винклер пытался восстановить эти же окислы магнием; Бильц и Вагнер, восстанавливая в вакууме окись кальция алюминием, получили низкий выход металла Гунц в 1929 г. достиг лучших результатов. А.И. Войницкий в 1938 г. в лаборатории восстанавливал окись кальция алюминием и силикосплавами. Способ запатентовали в 1938 г В конце второй мировой войны термический способ получил промышленное применение.
В 1859 г. Кароном был предложен способ получения сплавов натрия со щелочноземельными металлами действием металлического натрия на их хлориды. По этому способу получают кальций (и барин) в сплаве со свинцом До второй мировой войны промышленное производство кальция электролизом было поставлено в Германии и Фракции. В Битерфельде (Германия) в период с 1934 г по 1939 г выпускалось по 5-10 т кальция ежегодно Потребность США в кальции покрывалась импортом, составлявшим в период 1920-1940 гг 10-25 г в год. С 1940 г., когда прекратился импорт из Франции, США начали сами в значительных количествах производить кальций методом электролиза; в конце войны стали получать кальций вакуум-термическим способом; по сообщению С. Лумиса, выпуск его достигал 4,5 т в сутки. По данным Минерале Ярбук, компания Доминиум Магнезиум в Канаде выпускала кальция в год:
Сведения о масштабах выпуска кальция за последние годы отсутствуют.
27.03.2019
В-первую очередь надо определиться сколько вы готовы потратить на покупку. Специалисты рекомендуют начинающим инвесторам сумму от 30 тысяч рублей до 100. Стоит...
27.03.2019
Металлопрокат в наше время активно используется в самых разных ситуациях. Действительно, на многих производствах просто не обойтись без него, так как металлопрокат...
27.03.2019
Стальные прокладки овального сечения предназначены для герметизации фланцевых соединений арматуры и трубопроводов, которые транспортируют агрессивные среды....
26.03.2019
Многие из нас слышали о такой должности как системный администратор, но далеко не каждый представляет себе, что конкретно имеется в виду под этой фразой....
26.03.2019
Каждый человек, который делает ремонт в своем помещении, должен задумываться о том, какие конструкции необходимо установить в межкомнатное пространство. На рынке...
26.03.2019
26.03.2019
На сегодняшний день газоанализаторы активно применяют в нефтяной и в газовой отраслях, в коммунальной сфере, в ходе осуществления анализов в лабораторных комплексах, для...
