Кальций

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Вступление

Биография металла

Характеристика Кальция

Получение Кальция

Свойства металла

Физические

Химические

Применение Кальция

Применение металлического Кальция

Метал в природе

Кальций в медицине

Заключение

Список литературы

Вступление

Кальций - элемент главной подгруппы второй группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, 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.

Несмотря на повсеместную распространенность элемента №20, даже химики и то не все видели элементарный кальций. А ведь этот металл и внешне и по поведению совсем непохож на щелочные металлы, общение с которыми чревато опасностью пожаров и ожогов. Его можно спокойно хранить на воздухе, он не воспламеняется от воды. Механические свойства элементарного кальция не делают его «белой вороной» в семье металлов: по прочности и твердости кальций превосходит многие из них; его можно обтачивать на токарном станке, вытягивать в проволоку, ковать, прессовать.

И все-таки в качестве конструкционного материала элементарный кальций почти не применяется. Для этого он слишком активен. Кальций легко реагирует с кислородом, серой, галогенами. Даже с азотом и водородом при определенных условиях он вступает в реакции. Среда окислов углерода, инертная для большинства металлов, для кальция - агрессивная. Он сгорает в атмосфере CO и CO2.

Камльций - элемент главной подгруппы второй группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, 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, лёгкий металл (немногим лишь тяжелее воды), ковкий, не загрязнённый примесями, обладает хорошей пластичностью и поддаётся всем видам обработки давлением.

Биография металла

Гемфри Дэви (английский химик) открыл этот элемент во время знаменитой «атаки» на щелочные земли в 1808году 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. Вольтов столб в руках ученого продолжал творить чудеса. Известняк, разбитый энергией электричества, «отдал» в руки ученых удивительно агрессивный металл - кальций. Сообщение об этом открытии вызвало большой интерес в научном мире.

В 1855 году Бунзен и Матиссен получили чистый кальций электролизом расплавленного хлористого кальция. Только в 1896 году в Германии разработан промышленный способ получения кальция. В 1938 году А. И. Войницкий предложил технологию вакуумно-термического восстановления оксида кальция, а в конце Второй мировой войны в США алюминотермический способ получения кальция получил промышленное применение.

Название элементу дано от латинского слова «кальке», что в переводе на русский язык означает «известь, мягкий камень».

Чистый оксид кальция впервые описан немецким ученым-химиком И. Потт. Это произошло в 1746 году. 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.

Характеристика кальция

Если кусочек кальция нагреть, он сгорает пламенем кирпично-красного цвета с образованием белого дыма. Плотность кальция меньше плотности алюминия, магния и бериллия. На воздухе он быстро окисляется, а при небольшом нагреве сгорает ярко-красным пламенем. Из горячей воды кальций бурно вытесняет водород, образуя гидрооксид кальция. Он активно соединяется с галогенами, серой, азотом, в струе водорода образует гидрид, при нагревании восстанавливает металлы из оксидов. Это свойство кальция применяют металлурги, добавляя его в расплавленный металл для связывания растворенного кислорода.

В наружной оболочке атома кальция два валентных электрона, довольно непрочно связанных с ядром. Поэтому-то в чистом виде кальция в природе не найти. Но он - обычная составная часть силикатных пород, наиболее часто встречающихся в земной коре.

Кальций обладает большой химической активностью. В ряду напряжений он располагается среди наиболее электроотрицательных металлов. При комнатной температуре кальций не реагирует с сухим воздухом. В порошкообразном состоянии при нагревании до 300°С он горит в кислороде, а при температуре выше 300°С взаимодействует с азотом, образуя нитрид Ca3N2. Во влажном воздухе кальций покрывается слоем гидроокиси. При температуре выше 400°С он образует с водородом гидрид Ca и интенсивно реагирует с галогенами. В концентрированных растворах NaOH и в растворах соды кальций почти не разрушается. Слабо действуют на кальций крепкая серная и азотная кислоты. Сильно действуют на кальций водные растворы соляной и азотной кислот.

Получение Кальция

Кальций впервые получен Дэви в 1808 г. с помощью электролиза. Но, как и другие щелочные и щелочноземельные металлы, элемент №20 нельзя получить электролизом из водных растворов. Кальций получают при электролизе его расплавленных солей.

Это сложный и энергоемкий процесс. В электролизере расплавляют хлорид кальция с добавками других солей (они нужны для того, чтобы снизить температуру плавления СаСl2).

Стальной катод только касается поверхности электролита; выделяющийся кальций прилипает и застывает на нем. По мере выделения кальция катод постепенно поднимают и в конечном счете получают кальциевую «штангу» длиной 50... 60 см. Тогда ее вынимают, отбивают от стального катода и начинают процесс сначала. «Методом касания» получают кальций сильно загрязненный хлористым кальцием, железом, алюминием, натрием. Очищают его переплавкой в атмосфере аргона.

Если стальной катод заменить катодом из металла, способного сплавляться с кальцием, то при электролизе будет получаться соответствующий сплав. В зависимости от назначения его можно использовать как сплав, либо отгонкой в вакууме получить чистый кальций. Так получают сплавы кальция с цинком, свинцом и медью. Отличительной особенностью схемы является утилизация выделяющегося при электролизе хлора, оборот катодного медно-кальциевого сплава, а также использование тепла отходящих газов для повышения концентрации хлорида кальция в чистом растворе. Свободный металлический кальций получают электролизом расплава, состоящего из CaCl2 (75-80%) и KCl или из CaCl2 и CaF2, а также алюминотермическим восстановлением CaO при 1170-1200 °C:

Технологическая схема электролитического получения кальция

Не только электролизом

Другой метод получения кальция - металлотермический - был теоретически обоснован еще в 1865 г. известным русским химиком Н. Н. Бекетовым. Кальций восстанавливают алюминием при давлении всего в 0, 01 мм ртутного столба. Температура процесса 1100... 1200°C. Кальций получается при этом в виде пара, который затем конденсируют.

В последние годы разработан еще один способ получения элемента №20. Он основан на термической диссоциации карбида кальция: раскаленный в вакууме до 1750°C карбид разлагается с образованием паров кальция и твердого графита.

Свойства металла

Физические

Металл кальций существует в двух аллотропных модификациях. До 443 °C устойчив б-Ca с кубической гранецентрированной решеткой (параметра = 0, 558 нм), выше устойчив в-Ca с кубической объемно-центрированной решеткой типа б-Fe (параметр a = 0, 448 нм). Стандартная энтальпия перехода б > в 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) [4].

Химические

Кальций - типичный щёлочноземельный металл. Относится к очень активным химическим элементам. Химическая активность кальция высока, но ниже, чем более тяжёлых щёлочноземельных 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 щёлочноземельные металлы, в плотно закрытой банке под слоем керосина или жидкого парафина.

В ряду стандартных потенциалов кальций расположен слева от водорода. Стандартный электродный потенциал пары Ca2+/Ca0 ?2, 84 В, так что кальций активно реагирует с водой, но без воспламенения:

С активными неметаллами (кислородом, хлором, бромом) кальций реагирует при обычных условиях:

При нагревании на воздухе или в кислороде кальций воспламеняется и горит красным пламенем с оранжевым оттенком. С менее активными неметаллами (водородом, бором, углеродом, кремнием, азотом, фосфором и другими) кальций вступает во взаимодействие при нагревании, например:

Кроме фосфида кальция Ca3P2 известны также фосфиды кальция составов СаР и СаР5;

Кроме силицида кальция Ca2Si известны также силициды кальция составов CaSi, Ca3Si4 и CaSi2.

Протекание указанных выше реакций, как правило, сопровождается выделением большого количества теплоты. Во всех соединениях с неметаллами степень окисления кальция +2. Большинство из соединений кальция с неметаллами легко разлагается водой, например:

Ион Ca2+ бесцветен. При внесении в пламя растворимых солей кальция пламя окрашивается в кирпично-красный цвет.

Такие соли кальция, как хлорид CaCl2, бромид CaBr2, иодид CaI2 и нитрат Ca (NO3) 2, хорошо растворимы в воде. Нерастворимы в воде фторид CaF2, карбонат CaCO3, сульфат CaSO4, ортофосфат Ca3 (PO4) 2, оксалат СаС2О4 и некоторые другие.

Важное значение имеет то обстоятельство, что, в отличие от карбоната кальция СаСО3, кислый карбонат кальция (гидрокарбонат) Са (НСО3) 2 в воде растворим. В природе это приводит к следующим процессам. Когда холодная дождевая или речная вода, насыщенная углекислым газом, проникает под землю и попадает на известняки, то наблюдается их растворение, а тех же местах, где вода, насыщенная гидрокарбонатом кальция, выходит на поверхность земли и нагревается солнечными лучами, протекает обратная реакция

Так в природе происходит перенос больших масс веществ. В результате под землей могут образоваться огромные провалы, а в пещерах образуются красивые каменные «сосульки« - сталактиты и сталагмиты.

Наличие в воде растворенного гидрокарбоната кальция во многом определяет временную жёсткость воды. Временной её называют потому, что при кипячении воды гидрокарбонат разлагается, и в осадок выпадает СаСО3. Это явление приводит, например, к тому, что в чайнике со временем образуется накипь.

Применение кальция

До последнего времени металлический кальций почти не находил применения. США, например, до второй мировой войны потребляли в год всего 10... 25 т кальция, Германия - 5... 10 т. Но для развития новых областей техники нужны многие редкие и тугоплавкие металлы. Выяснилось, что кальции - очень удобный и активный восстановитель многих из них, и элемент №20 стали применять при получении тория, ванадия, циркония, бериллия, ниобия, урана, тантала и других тугоплавких металлов.

Способность кальция связывать кислород и азот позволила применить его для очистки инертных газов и как геттер (Геттер - вещество, служащее для поглощения газов и создания глубокого вакуума в электронных приборах.) в вакуумной радиоаппаратуре.

Кальций применяют в металлургии как активный раскислитель, его используют в качестве восстановителя при получении урана, тория, циркония, цезия, рубидия, ванадия, хрома.

Кальций образует интерметеллид - его используют для повышения твёрдости свинцовых сплавов в производстве баббитов, кабельных и аккумуляторных сплавов.

Негашеная известь применяется в строительном деле. Хлорид кальция благодаря сильной гигроскопичности применяется как увлажнитель или осушитель.

Фторид кальция - важная составляющая покровных рафинирующих флюсов, используемых при производстве алюминиевых сплавов.

Применение металлического кальция

кальций химический элемент

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 находят применение в аккумуляторных батареях и подшипниковых сплавах. Кальциевые гранулы используются также для удаления следов воздуха из электровакуумных приборов.

Металлотермия

Чистый металлический кальций широко применяется в металлотермии при получении редких металлов.

Легирование сплавов

Чистый кальций применяется для легирования свинца, идущего на изготовление аккумуляторных пластин, необслуживаемых стартерных свинцово-кислотных аккумуляторов с малым саморазрядом. Также металлический кальций идет на производство качественных кальциевых баббитов БКА.

Как хранят кальций

Металлический кальций длительно хранить можно в кусках весом от 0, 5 до 60 кг. Такие куски хранят в бумажных мешках, вложенных в железные оцинкованные барабаны с пропаянными и покрашенными швами. Плотно закрытые барабаны укладывают в деревянные ящики. Куски весом меньше 0, 5 кг подолгу хранить нельзя - они быстро превращаются в окись, гидроокись и карбонат кальция.

Металл в природе

Кальций - один из наиболее распространенных элементов в природе.

Из-за высокой химической активности кальций в свободном виде в природе не встречается.

На долю кальция приходится 3, 38% массы земной коры (5-е место по распространенности после кислорода, кремния, алюминия и железа). Содержание элемента в морской воде - 400 мг/л[3].

Изотопы. Кальций встречается в природе в виде смеси шести изотопов: 40Ca, 42Ca, 43Ca, 44Ca, 46Ca и 48Ca, среди которых наиболее распространённый - 40Ca - составляет 96, 97%. Из шести природных изотопов кальция пять стабильны. Шестой изотоп 48Ca, самый тяжелый из шести и весьма редкий (его изотопная распространённость равна всего 0, 187%), как было недавно обнаружено, испытывает двойной бета-распад с периодом полураспада 5, 3Ч1019 лет. В горных породах и минералах. Большая часть кальция содержится в составе силикатов и алюмосиликатов различных горных пород (граниты, гнейсы и т. п.), особенно в полевом шпате - анортите Ca[Al2Si2O8]. В виде осадочных пород соединения кальция представлены мелом и известняками, состоящими в основном из минерала кальцита (CaCO3). Кристаллическая форма кальцита - мрамор - встречается в природе гораздо реже. Довольно широко распространены такие минералы кальция, как кальцит CaCO3, ангидрит CaSO4, алебастр CaSO4·0. 5H2O и гипс CaSO4·2H2O, флюорит CaF2, апатиты Ca5 (PO4) 3 (F, Cl, OH), доломит MgCO3·CaCO3. Присутствием солей кальция и магния в природной воде определяется её жёсткость. Кальций, энергично мигрирующий в земной коре и накапливающийся в различных геохимических системах, образует 385 минералов (четвертое место по числу минералов). 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: СаСО3 + H2O + CO2 - Са (НСО3) 2 - Ca2+ + 2HCO3- (равновесие смещается влево или вправо в зависимости от концентрации углекислого газа). Биогенная миграция. В биосфере соединения кальция находятся практически во всех животных и растительных тканях (см. тж. ниже). Значительное количество кальция входит в состав живых организмов. Так, гидроксиапатит Ca5 (PO4) 3OH, или, в другой записи, 3Ca3 (PO4) 2·Са (OH) 2 - основа костной ткани позвоночных, в том числе и человека; из карбоната кальция CaCO3 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).

Кальций в медицине

В медицине препаратов Са устраняет нарушения, связанные с недостатком ионов Са в организме (при тетании, спазмофилии, рахите). Препараты Са снижают повышенную чувствительность к аллергенам и используются для лечения аллергических заболеваний (сывороточная болезнь, сонная лихорадка и др.). Препараты Са уменьшают повышенную проницаемость сосудов и оказывают противовоспалительное действие. Их применяют при геморрагическом васкулите, лучевой болезни, воспалительных процессах (пневмония, плеврит и др.) и некоторых кожных заболеваниях. Назначают как кровоостанавливающее средство, для улучшения деятельности сердечной мышцы и усиления действия препаратов наперстянки, как противоядия при отравлении солями магния. Вместе с другими средствами препараты Са применяют для стимулирования родовой деятельности. Хлористый Са вводят через рот и внутривенно. Оссокальцинол (15% -ная стерильная суспензия особым образом приготовленного костного порошка в персиковом масле) предложен для тканевой терапии.

К препаратам Са относятся также гипс (СаSО4), применяемый в хирургии для гипсовых повязок, и мел (СаСО3), назначаемый внутрь при повышенной кислотности желудочного сока и для приготовления зубного порошка.

Наибольшее распространение для производства извести получили шахтные печи, высота которых достигает 20 м. В шахтной печи различают (считая сверху вниз) три зоны: подогрева, обжига и охлаждения. В зоне подогрева из известняка и топлива (в случае использования твердого топлива - кокса или антрацита) удаляется влага. Известняк нагревается до температуры начала диссоциации, а топливо - до температуры воспламенения. В зоне обжига за счет сгорания топлива или поступления продуктов его сгорания из топок (в случае работы печи на жидком или газообразном топливе) достигается максимальная температура материала и активно происходит диссоциация СаСО3 и MgCO3. В третьей зоне материал охлаждается поступающим в печь снизу воздухом.

Шахтная печь (рис. 2) используется для производства кальция и его соединений. Шахтные печи различают по виду применяемого в них топлива и по способу его сжигания. В пересыпных печах твердое топливо подается вместе с сырьем и сгорает между кусками обжигаемого материала. Здесь применяют топливо с малым содержанием летучих - антрацит, кокс и тощие сорта каменного угля, дающие при горении короткое пламя. В печах с выносными топками последние расположены по внешнему периметру печи. В них сжигается твердое топливо (полностью или частично) и образующиеся горячие газы поступают в зону обжига. Применяют длиннопламенное топливо с высоким содержанием летучих, а также торф, дрова, горючие сланцы. В газовых печах топливом чаще всего служит природный газ, который подается непосредственно в шахтную печь и сжигается в слое материала.

Заключение

Кальций - один из самых распространенных элементов на Земле. В природе его очень много: из солей кальция образованы горные массивы и глинистые породы, он есть в морской и речной воде, входит в состав растительных и животных организмов.

Кальций постоянно окружает горожан: почти все основные стройматериалы - бетон, стекло, кирпич, цемент, известь - содержат этот элемент в значительных количествах.

Естественно, что, обладая такими химическими свойствами, кальций не может находиться в природе в свободном состоянии. Зато соединения кальция - и природные и искусственные - приобрели первостепенное значение.

Список литературы:

Москвитин В. И., Николаев И. В., Фомин Б. А. - Металлургия легких металлов. (2005)

Кузнецов Л. А. - Производство карбида кальция.

Кнунянц И. Л. «Химический энциклопедический словарь», т. 2, М 1983 г., с. 293-300

Ю. И. Ривлин, М. А. Коротков, В. Н. Чернобыльский «Металлы и их заменители» Москва, издательство «Металлургия», 1973г.

Размещено на Allbest.ru