Кальцій і його роль для людства
Застосування металевого кальцію
Застосування сполук кальцію
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.
Незважаючи на повсюдну поширеність елемента №20, навіть хіміки і то не всі бачили елементарний кальцій. Але ж цей метал і зовні і по поведінці зовсім несхожий на лужні метали, спілкування з якими загрожує небезпекою пожеж та опіків. Його можна спокійно зберігати на повітрі, він не запалюється від води. Механічні властивості елементарного кальцію не роблять його «білою вороною» в сім'ї металів: по міцності і твердості кальцій перевершує багато з них; його можна обточувати на токарному верстаті, витягати в дріт, кувати, пресувати.
І все-таки як конструкційний матеріал елементарний кальцій майже не застосовується. Для цього він надто активний. Кальцій легко реагує з киснем, сіркою, галогенами. Навіть з азотом і воднем при певних умовах він вступає в реакції. Середа оксидів вуглецю, інертна для більшості металів, для кальцію - агресивна. Він згорає в атмосфері CO і CO2.
Історія і походження назви
Назва елемента походить від лат. calx (в родовому відмінку calcis) - «вапно», «м'який камінь». Воно було запропоновано англійським хіміком Хемфрі Деві, в 1808 р виділив металевий кальцій електролітичним методом. Деві піддав електролізу суміш вологою гашеного вапна з оксидом ртуті HgO на платинової пластині, яка була анодом. Катодом служила платинова дріт, занурена в рідку ртуть. В результаті електролізу виходила амальгама кальцію. Відігнавши з неї ртуть, Деві отримав метал, названий кальцієм.
З'єднання кальцію - вапняк, мармур, гіпс (а також вапно - продукт випалу вапняку) застосовувалися в будівельній справі вже кілька тисячоліть тому. Аж до кінця XVIII століття хіміки вважали вапно простим тілом. У 1789 році А. Лавуазьє припустив, що вапно, магнезія, барит, глинозем і кремнезем - речовини складні.
Знаходження в природі
Через високу хімічної активності кальцій у вільному вигляді в природі не зустрічається.
На частку кальцію припадає 3,38% маси земної кори (5-е місце за поширеністю після кисню, кремнію, алюмінію і заліза).
Ізотопи. Кальцій зустрічається в природі у вигляді суміші шести ізотопів: 40Ca, 42Ca, 43Ca, 44Ca, 46Ca і 48Ca, серед яких найбільш поширений - 40Ca - становить 96,97%.
З шести природних ізотопів кальцію п'ять стабільні. Шостий ізотоп 48Ca, найважчий з шести і вельми рідкісний (його ізотопна поширеність дорівнює всього 0,187%), як було нещодавно виявлено, відчуває подвійний бета-розпад з періодом напіврозпаду 5,3 × 1019 років.
У гірських породах і мінералах. Велика частина кальцію міститься в складі силікатів і алюмосилікатів різних гірських порід (граніти, гнейси і т. П.), Особливо в польовому шпату - анортит Ca [Al2Si2O8].
У вигляді осадових порід з'єднання кальцію представлені крейдою і вапняками, що складаються в основному з мінералу кальциту (CaCO3). Кристалічна форма кальциту - мармур - зустрічається в природі набагато рідше.
Досить широко поширені такі мінерали кальцію, як кальцит CaCO3. ангідрит CaSO4. алебастр CaSO4 · 0.5H2 O і гіпс CaSO4 · 2H2 O, флюорит CaF2. апатити Ca5 (PO4) 3 (F, Cl, OH), доломіт MgCO3 · CaCO3. Присутністю солей кальцію і магнію в природній воді визначається її жорсткість.
Кальцій, енергійно мігрує в земній корі і накопичується в різних геохімічних системах, утворює 385 мінералів (четверте місце за кількістю мінералів).
Міграція в земній корі. В природної міграції кальцію істотну роль грає «карбонатное рівновагу», пов'язане з оборотною реакцією взаємодії карбонату кальцію з водою і вуглекислим газом з утворенням розчинної гідрокарбонату:
(Рівновага зміщується вліво або вправо в залежності від концентрації вуглекислого газу).
Вільний металевий кальцій одержують електролізом розплаву, що складається з CaCl2 (75-80%) і KCl або з CaCl2 і CaF2. а також алюмінотермічеським відновленням CaO при 1170-1200 ° C:
Метал кальцій існує в двох аллотропних модифікаціях. До 443 ° C стійкий # 945; -Ca з кубічної гранецентрированной гратами (параметр а = 0,558 нм), вище стійкий # 946; -Ca з кубічної об'ємно-центрованої гратами типу # 945; -Fe (параметр a = 0,448 нм). стандартна ентальпія # 916; H0 переходу # 945; → # 946; становить 0,93 кДж / моль.
Кальцій - типовий лужноземельний метал. Хімічна активність кальцію висока, але нижче, ніж всіх інших лужноземельних металів. Він легко взаємодіє з киснем, вуглекислим газом і вологою повітря, через що поверхня металевого кальцію зазвичай тьмяно сіра, тому в лабораторії кальцій звичайно зберігають, як і інші лужноземельні метали, в щільно закритій банці під шаром гасу або рідкого парафіну.
В ряду стандартних потенціалів кальцій розташований зліва від водню. Стандартний електродний потенціал пари Ca2 + / Ca0 -2,84 В, так що кальцій активно реагує з водою, але без займання:
З активними неметалами (киснем, хлором, бромом) кальцій реагує за звичайних умов:
При нагріванні на повітрі або в кисні кальцій запалюється. З менш активними неметалами (воднем, бором, вуглецем, кремнієм, азотом, фосфором і іншими) кальцій вступає у взаємодію при нагріванні, наприклад:
фосфід кальцію), відомі також фосфіди кальцію складу СаР і СаР5;
(Силицид кальцію), відомі також силіциди кальцію складу CaSi, Ca3 Si4 і CaSi2.
Перебіг зазначених вище реакцій, як правило, супроводжується виділенням великої кількості теплоти (тобто ці реакції - екзотермічні). У всіх з'єднаннях з неметалами ступінь окислення кальцію +2. Більшість із з'єднань кальцію з неметалами легко розкладається водою, наприклад:
Іон Ca 2+ безбарвний. При внесенні в полум'я розчинних солей кальцію полум'я забарвлюється в цегляно-червоний колір.
Такі солі кальцію, як хлорид CaCl2. бромід CaBr2. йодид CaI2 і нітрат Ca (NO3) 2. добре розчинні у воді. Нерозчинні у воді фторид CaF2. карбонат CaCO3, сульфат CaSO4. ортофосфат Ca3 (PO4) 2. оксалат СаС2 О4 і деякі інші.
Важливе значення має та обставина, що, на відміну від карбонату кальцію СаСО3, кислий карбонат кальцію (гідрокарбонат) Са (НСО3) 2 у воді розчинний. У природі це призводить до наступних процесів. Коли холодна дощова або річкова вода, насичена вуглекислим газом, проникає під землю і потрапляє на вапняки, то спостерігається їх розчинення:
У тих же місцях, де вода, насичена гідрокарбонатом кальцію, виходить на поверхню землі і нагрівається сонячними променями, протікає зворотна реакція:
Так в природі відбувається перенесення великих мас речовин. В результаті під землею можуть утворитися величезні провали, а в печерах утворюються красиві кам'яні «бурульки» - сталактити і сталагміти.
Наявність у воді розчиненого гідрокарбонату кальцію багато в чому визначає тимчасову жорсткість води. Тимчасової її називають тому, що при кип'ятінні води гідрокарбонат розкладається, і в осад випадає СаСО3. Це явище призводить, наприклад, до того, що в чайнику з часом утворюється накип.
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 трудновосстанавліваемих металів, таких, як хром, торій і уран. Сплави кальцію зі свинцем знаходять застосування в акумуляторних батареях і підшипникових сплавах. Кальцієві гранули використовуються також для видалення слідів повітря з електровакуумних приладів.
Чистий металевий кальцій широко застосовується в металлотермии при отриманні рідкісних металів.
Чистий кальцій застосовується для легування свинцю, що йде на виготовлення акумуляторних пластин, необслуговуваних стартерних свинцево-кислотних акумуляторів з малим саморазрядом. Також металевий кальцій йде на виробництво якісних кальцієвих бабітів БКА.
Ізотоп 48Ca - найбільш ефективний і уживаний матеріал для виробництва надважких елементів і відкриття нових елементів таблиці Менделєєва. Наприклад, в разі використання іонів 48Ca для отримання надважких елементів на прискорювачах ядра цих елементів утворюються в сотні і тисячі разів ефективніше, ніж при використанні інших «снарядів» (іонів).
Застосування сполук кальцію
Гідрид кальцію. Нагріванням кальцію в атмосфері водню отримують CaH2 (гідрид кальцію), використовуваний в металургії (металлотермии) і при отриманні водню в польових умовах.
Оптичні та лазерні матеріали. Фторид кальцію (флюорит) застосовується у вигляді монокристалів в оптиці (астрономічні об'єктиви, лінзи, призми) і як лазерний матеріал. Вольфрамат кальцію (шеелит) у вигляді монокристалів застосовується в лазерній техніці, а також як сцинтилятор.
Карбід кальцію. Карбід кальцію CaC2 широко застосовується для отримання ацетилену і для відновлення металів, а також при отриманні ціанаміду кальцію (нагріванням карбіду кальцію в азоті при 1200 ° C, реакція йде екзотермічно, проводиться в ціанамідних печах).
Хімічні джерела струму. Кальцій, а також його сплави з алюмінієм і магнієм використовуються в резервних теплових електричних батареях в якості анода (наприклад кальцій-хроматних елемент). Хромат кальцію використовується в таких батареях в якості катода. Особливість таких батарей - надзвичайно довгий термін зберігання (десятиліття) в придатному стані, можливість експлуатації в будь-яких умовах (космос, високі тиску), велика питома енергія за вагою й обсягом. Недолік в недовгому терміні дії. Такі батареї використовуються там, де необхідно на короткий термін створити колосальну електричну потужність (балістичні ракети, деякі космічні апарати и.др.).
Вогнетривкі матеріали. Оксид кальцію, як у вільному вигляді, так і в складі керамічних сумішей, застосовується у виробництві вогнетривких матеріалів.
Лікарські засоби. З'єднання кальцію широко застосовуються в якості антигистаминного кошти.
Крім того, сполуки кальцію вводять до складу препаратів для профілактики остеопорозу, в вітамінні комплекси для вагітних і літніх.
Кальцій - поширений макроелемент в організмі рослин, тварин і людини. В організмі людини та інших хребетних велика його частина міститься в скелеті і зубах у вигляді фосфатів. З різних форм карбонату кальцію (вапна) складаються скелети більшості груп безхребетних (губки, коралові поліпи, молюски та ін.). Іони кальцію беруть участь у процесах згортання крові, а також у забезпеченні постійного осмотичного тиску крові. Іони кальцію також служать одним з універсальних вторинних посередників і регулюють найрізноманітніші внутрішньоклітинні процеси - м'язове скорочення, екзоцитоз, в тому числі секрецію гормонів і нейромедіаторів та ін. Концентрація кальцію в цитоплазмі клітин людини становить близько 10-7 моль, в міжклітинних рідинах близько 10 3 моль.
Потреба в кальції 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 скелета. Велика частина кальцію, що надходить в організм людини з їжею, міститься в молочних продуктах, що залишився кальцій припадає на м'ясо, рибу, і деякі рослинні продукти (особливо багато містять бобові). Всмоктування відбувається як в товстому, так і тонкому кишечнику і полегшується кислим середовищем, вітаміном Д і вітаміном С, лактозою, ненасичені жирні кислоти. Важлива роль магнію в кальциевом обміні, при його нестачі кальцій «вимивається» з кісток і осідає в нирках (ниркові камені) і м'язах.
Засвоєнню кальцію перешкоджають аспірин, щавлева кислота, похідні естрогенів. З'єднати з щавлевої кислотою, кальцій дає нерозчинні компоненти, які є компонентами каменів в нирках.
Вмісту кальцію в крові через великої кількості пов'язаних з ним процесів точно регулюється, і при правильному харчуванні дефіциту не виникає. Тривала відсутність в раціоні може викликати судоми, біль у суглобах, сонливість, дефекти зростання, а також запори. Більш глибокий дефіцит призводить до постійних м'язовим судом і остеопорозу. Зловживання кави і алкоголем можуть бути причинами дефіциту кальцію, так як частина його виводиться з сечею.
Надлишкові дози кальцію і вітаміну Д можуть викликати гіперкальцемія, після якої слід інтенсивна кальцифікація кісток і тканин (в основному зачіпає сечовидільну систему). Тривалий надлишок порушує функціонування м'язових і нервових тканин, збільшує згортання крові і зменшує засвоюваність цинку клітинами кісткової тканини. Максимальна денна безпечна доза становить для дорослого від 1500 до 1800 міліграмів.
Продукти Кальцій, мг / 100 г
Проскурник лісової 505
Подорожник великий 412
Сардини в олії 330