Этот химический элемент жизненно важен в буквальном смысле: из него состоят наши кости и зубы. Кальций – это также морские раковины, цветные мелки, сталактиты и сталагмиты в пещерах.
Что представляет собой
Кальций – это химический элемент периодической системы Д. И. Менделеева под №20. Мягкий серебристо-белый металл блестит, но затем тускнеет под пленкой-оксидом.
Состоит из шести стабильных изотопов, при этом 97% состава приходится на Ca40.
Относится к щелочноземельным металлам.
Международное обозначение – Calcium (Ca).
История
Применение кальциевых минералов – мрамора, гипса, известняка – исчисляется тысячелетиями.
Чистый металл первым в истории получил британский химик Гемфри Дэви (1808 год). Для этого он применил электролиз к смеси из оксида ртути и мокрой гашеной извести. Получив амальгаму, отделил ртуть.
Он же предложил латинское название элемента: calcis означает мягкий камень, известка.
Физико-химические характеристики
Кальций представлен двумя модификациями кубической решетки: с гране- и объемноцентрированной структурой.
Металл наделен многими достоинствами: пластичен, режется ножом, обрабатывается прессованием, прокаткой.
Химические свойства проявляются при нагревании:
- Взаимодействие с горячей водой приводит к образованию водородного «фонтана». Но реакция проходит без взрывов или горения.
- Взаимодействует с кислотами, неметаллами, образуя соединения.
- Даже при комнатной температуре во влажном микроклимате покрывается пленкой.
Нагреваясь в кислороде либо на воздухе, кальций, его растворимые соли горят. Пламя получается красно-оранжевым. По цвету его легко отличить от других металлов.
Химическая активность вещества зашкаливает. Для устранения этого недостатка металл хранят в керосине, растопленном парафине либо закупоренном сосуде.
| Свойства атома | |
|---|---|
| Название, символ, номер | Ка́льций/Calcium (Ca), 20 |
| Атомная масса (молярная масса) |
40,078(4) а. е. м. (г/моль) |
| Электронная конфигурация | [Ar] 4s2 |
| Радиус атома | 197 пм |
| Химические свойства | |
| Ковалентный радиус | 174 пм |
| Радиус иона | (+2e) 99 пм |
| Электроотрицательность | 1,00 (шкала Полинга) |
| Электродный потенциал | −2,76 В |
| Степени окисления | 2 |
| Энергия ионизации (первый электрон) |
589,4 (6,11) кДж/моль (эВ) |
| Термодинамические свойства простого вещества | |
| Плотность (при н. у.) | 1,55 г/см³ |
| Температура плавления | 1112 К; 838,85 °C |
| Температура кипения | 1757 К; 1483,85 °C |
| Уд. теплота плавления | 9,20 кДж/моль |
| Уд. теплота испарения | 153,6 кДж/моль |
| Молярная теплоёмкость | 25,9 Дж/(K·моль) |
| Молярный объём | 29,9 см³/моль |
| Кристаллическая решётка простого вещества | |
| Структура решётки | кубическая гранецентрированная |
| Параметры решётки | 5,580 Å |
| Температура Дебая | 230 K |
| Прочие характеристики | |
| Теплопроводность | (300 K) (201) Вт/(м·К) |
| Номер CAS | 7440-70-2 |
Уникальные свойства кальция как металла проявляются при усилении давления.
Под давлением он ведет себя как полупроводник, затем как металл, потом подобно сверхпроводнику. По проводимости в разы превосходит все химические элементы (например, ртуть – вшестеро).
Присутствие в природе
Кальций – третий по распространенности в земной коре среди металлов, пятый среди всех элементов. Четвертый по количеству минералов (385).
Однако высокая химическая активность исключает присутствие элемента в свободном виде:
- Это компонент минералов и соединений. Самые распространенные минералы – гипс, кальцит, алебастр, флюорит, апатит, доломит.
Апатит - Из кальцита состоит известняк. Метаморфизм превращает его в мрамор. Самая известная разновидность известняка – мел.
Горная порода кальцит
Вещество с формулой СаСО3 – обычный мел.
- Щелочноземельный металл обнаружен в каменных метеоритах – как почти ненаходимые на земле сульфиды.
Тонна земной коры содержит 32,7 кг кальция, литр морской воды – 410 мг.
Из морской воды кальций как строительный материал вытаскивают моллюски, кораллы.
Концентрацией кальция в составе определяется степень жесткости воды.
Технология получения
Конечный продукт промышленного производства – металлический кальций.
Получение металла проходит двумя методами:
- Электролиз. Расплавляют CaCl2, задействуя медно-кальциевый анод. Из полученного медно-кальциевого сплава (2:1) отгоняют металл.
- Алюминотермия. Прокаливается смесь CaO и порошковый алюминий. Конденсат из кальциевых паров аккумулируется на охлаждаемой поверхности.
Для обоих способов получения металла требуется вакуум и 960-1900°С.
Единственный производитель кальция в Европе – Чепецкий механический завод. Его открыли в 1949 году для нужд отечественной урановой промышленности. Уже тогда СССР отработал процесс восстановления урана кальцием. Сегодняшний ассортимент шире.
Где используется
Утилитарные характеристики металла обусловили сферы применения.
Промышленность
Львиная доля продукции металлургических комбинатов достается промышленному комплексу.
Здесь миссия кальция многогранна:
- Восстановление редкоземельных, тугоплавких элементов из соединений. Речь о хроме, никеле, меди, тории, уране.
- Удаление серы из бензина, керосина, других нефтепродуктов.
- Раскисление стали и сплавов цветных металлов.
- Получение антифрикционных сплавов.
- Очистка электровакуумных приборов от воздуха, других газов.
- Обезвоживание органических растворителей.
Металл используется при производстве аккумуляторных батарей, подшипников, оболочек кабелей.
Наука
Изотоп Ca-48 – материал с высоким КПД для производства сверхтяжелых элементов.
Кальцием восстанавливают уран.
С его помощью ученые пополняют таблицу Менделеева.
Другие сферы
Кальциевые материалы нашли применение на бытовом уровне:
- Строительный материал (известняк, гипс, мрамор).
- Сырье при производстве гипса, включая медицинский.
- Дезинфектор (хлорка).
- Мелки для рисования.
- Аптечные препараты, БАДы (особенно с витамином D).
Эстетично выглядящие образцы (флюорит, кальцинит, мрамор) попадают в минералогические коллекции.
Биологическое влияние
Кальций – важный для биологических организмов макроэлемент (1,6-2,1% по массе): он есть в растениях, организме животных, человека.
Жизненные процессы
Макроэлемент аккумулируется костями и зубами.
Известь (карбонат кальция) – строительный материал ракушек, кораллов, яичной скорлупы, накипи в чайнике.
Вещество задействовано в следующих процессах:
- Свертывание крови.
- Сокращение мышц.
- Секреция гормонов.
Тело человека массой 60 кг содержит полтора килограмма кальция.
Достаточное количество металла критично для детей и подростков: их скелет растет каждую минуту. У младенцев может проявиться рахитичность.
Питание
Макроэлемент поступает в организм во время еды. В детском возрасте продукт номер один – молоко.
Рацион взрослых разнообразнее. Веществом насыщены продукты всех групп:
- Цельнозерновой хлеб, гречка.
- Морепродукты, рыба (особенно мягкие кости).
- Бобовые.
- Орехи, свежий кунжут.
- Листовой салат, укроп, петрушка, спаржа.
Всасыванию кальция содействует лактоза, препятствуют кофе, углеводы, пальмовое масло, животные жиры (кроме сала).
Нормы
Суточная потребность в макроэлементе определяется возрастом (г):
| Возраст (лет) | Количество кальция (мг) |
| 0-6 | 1490 |
| 7-9 | 750 |
| 10-12 (мальчики) | 910 |
| 10-12 (девочки) | 1250 |
| 13-19 | 1250 |
| 20-49 | 1050 |
| 49+ | 1150-1350 |
Беременным и кормящим матерям требуется повышенная норма вещества.
Симптомы нехватки/переизбытка
Дефицит металла в организме проявляется многопланово:
- судороги, онемение конечностей, суставная боль;
- тахикардия;
- гипертония;
- расслоение, ломкость ногтей.
На ментальном плане это депрессия, нервозность.
Хроническая нехватка макроэлемента ведет к хрупкости костей (остеопорозу).
Об избытке макроэлемента сигнализируют отвращение к еде, неутолимая жажда, расстройство ЖКТ (тошнота, рвота), повышенное мочеотделение, слабость.
Избыток вещества опасен: организм «цементируется».
Максимальная суточная доза кальция для взрослых – 2,5 г.
Цены
На российском рынке представлена промышленная и аптечная продукция.
Цены на промышленный кальций (руб. / кг):
- металлический – 450;
- кусковой (чистота: 99,82%) – 1500;
- хлористый технический – 47;
- хлористый пищевой – 95.
Аптечный сегмент представлен отечественной и зарубежной продукцией. Упаковка глюконата кальция (10 таблеток) российского производства стоит 15-25 руб., препарата «Кальций-Д3 Никомед» – 300 — 700 руб.
(3 оценок, среднее: 3,67 из 5)
Загрузка...
