Название кальций произошло от латинского calx (известь). В начале нашей эры были широко распространены слова, имеющие различное значение, но происходящие от приблизительно одинаковых латинских корней: cal, calk и calx. Кальксом (Calx) называли известковый камень, мел, вообще камень-голыш, но чаще же всего строительный раствор на основе извести. Древние авторы - Плиний, Диоскорид, Витрувий и др. - употребляли это слово, описывая процессы обжигания известкового камня, гашения извести и получения строительных растворов. У алхимиков calx обозначало, кроме этого, вообще продукты обжига различных веществ, в частности металлов; окислы металлов назывались металлическими известями, а операция обжига - кальцинацией (Calcinatio). В древнерусской рецептурной литературе встречается слово кал (глина, грязь); в сборнике Троице-Сергиевской лавры (XV в.) говорится: "обрящи кал, от него же творят златарие горнила". Позднее слово кал служит синонимом слова навоз, которое, несомненно, связано со словом calx.

Изучение природы извести и вообще соединений кальция началось в XVIII в. Шталь считал известь сложным телом, состоящим из землистого и водного начал. Блэк установил различие между едкой известью и углекислой известью, содержавшей "фиксированный воздух". Лавуазье в "Таблице простых тел" причисляет известь к простым телам. Элементарный кальций был получен Дэви в 1808 г. После успешного разложения электролизом окислов калия и натрия Дэви решил получить тем же путем щелочно-земельные металлы. Но это удалось ему не сразу. Сначала он пытался разложить известь путем электролиза на воздухе и под слоем нефти, затем прокаливал известь с металлическим калием в трубке и производил другие опыты. Наконец, в приборе с ртутным катодом он получил электролизом извести амальгаму, а из нее металлический кальций. Вскоре этот способ получения металла был усовершенствован Берцелиусом и Понтиным.

В русской литературе начала XIX в. этот металл называли иногда основанием известковой земли, известковием (Щеглов, 1830), известковистостью (Иовский) калцием, кальцием (Гесс).

Кальций электронное строение

У атома кальция на внешнем электронном слое будут располагаться 2 электрона, как и у бериллия с магнием (они тоже являются элементами II А подгруппы)

Основные изотопы кальция

Физические свойства

Металл кальций существует в двух аллотропных модификациях. До 443 °C устойчив б-Ca с кубической гранецентрированной решеткой (параметр а = 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)

Химические свойства

1.Оксид кальция CaO (негашеная известь, жженая известь, кипелка) белое тугоплавкое вещество.

Получают при обжиге известняка или мела при высокой температуре (выше 900 oС):

CaCO3 = CaO + CO2

Оксид кальция реагирует водой с образованием гашенной извести и выделением большого количества тепла:

CaO + H2O = Ca(OH)2 + Q

2.Гидроксид кальция Ca(OH)2 - сильное основание, мало растворимое в воде.

Ca(OH)2 используется в различных видах:

гашеная известь - тонкий рыхлый порошок, «пушонка», получаемый при действии воды на негашеную известь CaO:

CaO + H2O = Ca(OH)2

Тестообразная смесь гашеной извести с цементом, водой и песком используется в строительстве

Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O

известковое молоко - это взвесь частиц гашеной извести Ca(OH)2 в известковой воде.

Используется для побелки в строительстве, дезинфекции стволов деревьев, в сахарной промышленности, для дубления кож, для получения хлорной извести. кальций металл внутриклеточный ткань

Раствор на воздухе мутнеет за счет поглощения углекислого газа из воздуха.

Но при длительном пропускании углекислого газа раствор становится

прозрачным из-за образования растворимого гидрокарбоната кальция:

CaCO3 + CO2 + H2O = Ca(HCO3)2

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.

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.

3.Хлорная известь - является сильным окислителем, главной составной частью которой является соль CaOCl2, образующаяся при взаимодействии сухой гашеной извести с хлором:

Ca(OH)2 + Cl2 = CaOCl2 + H2O

Хлорная известь - белый порошок с резким запахом, который во влажном воздухе под действием углекислого газа постепенно разлагается, выделяя хлорноватистую кислоту:

2CaOCl2 + CO2 + H2O = CaCO3 + CaCl2 + 2HClO

На свету хлорноватистая кислота разлагается:

2HClO = 2HCl + O2

При действии на хлорную известь соляной кислоты выделяется хлор:

CaOCl2 + 2HCl = CaCl2 + Cl2 + H2O

На этом основаны отбеливающие и дезинфицирующие свойства хлорной извести.

4.Гипс CaSO4·2H2O - природный минерал кальция.

При нагревании до150-180°С гипс теряет ѕ кристаллизационной воды и переходит в алебастр или жженый гипс.

2CaSO4*2H2O 2CaSO4*H2O + 3H2O

При смешивании с водой алебастр быстро затвердевает, снова превращается

в гипс:

2CaSO4*H2O + 3H2O 2CaSO4*2H2O

Это свойство гипса используется для изготовления отливочных форм и слепков с различных предметов, а так же в качестве вяжущего материала в строительстве для штукатурки и другие.

При нагревании гипса при температуре выше 180°С образуется безводный гипс (ангидрид кальция, или мертвый гипс), не способный уже присоединять воду.

CaSO4*2H2O CaSO4 + H2O

Оксид кальция CaO - основный оксид, негашёная известь. Белый, гигроскопичный. Тугоплавкий, термически неустойчивый, летучий при прокаливании. Энергично реагирует с водой (с высоким экзо-эффектом), образует сильнощелочной раствор, процесс называется гашением извести. Реагирует с кислотами, оксидами металлов, неметаллов. Применяется для синтеза других соединений кальция, компонент вяжущих мматериалов в строительстве.

+ 64Дж

Получение в промышленности - обжиг известняка (900 - 1200^оС)

Гидроксид кальция Ca(OH)₂ - гашеная известь, основный гидроксид. Разлагается при умеренном нагревании. Белый, гигроскопичный. Поглощает влагу и углекислый газ из воздуха. Малорастворим в хол. воде, ещё меньше - в кипящей воде. Прозрачный раствор (известковая вода) быстро мутнеет из-за выпадения осадка гидроксида (суспензию называют известковое молоко). Качественная реакция - пропускание углекислого газа через известковую воду с появлением осадка СаСО3 и переходом его в раствор. Реагирует с кислотами и кислотными оксидами, вступает в реакции ионного обмена.

Применяется в строительстве для приготовления известковых строительных растворов (песок + гашеная известь + вода), служащих связывающим материалом для каменной и кирпичной кладки, отделки (оштукатуривания) стен и других строительных целей. Отвердевание таких растворов обусловлено поглощением СО2 из воздуха.

Ca(OH)₂ + CO₂ > CaCO₃v + H₂O

Ca(OH)₂ + H₂SO₄ > CaSO₄ + 2H₂O,

Реагирует с солями, если образуется осадок

Ca(OH)₂ + Na₂SO₃>CaSO₃v + 2NaOH

Сульфат кальция (CaSO₄) -- неорганическое соединение, кальциевая соль серной кислоты.

Находится в природе в виде дигидрата CaSO₄ • 2H₂O (гипс, селенит) и в безводном состоянии -- ангидрит.

CaO + H2SO4 = CaSO4 + H2O

Хлорид кальция, CaCl2 -- кальциевая соль соляной кислоты.

Обладает высокими гигроскопическими свойствами. Растворимость (г на 100 г H2O): 74 (20 °C) и 159 (100 °C). Водные растворы хлорида кальция замерзают при низких температурах (20%-ный -- при ?18,57 °C, 30%-ный -- при ?48 °C).

Ca(OH)2+2HCl-->CaCl2+2H2O

Ca+Cl2-->CaCl2

Образует гидрат CaCl2·6H2O, устойчивый до 29,8 °C; при более высоких температурах из насыщенного раствора выпадают кристаллогидраты с 4, 2 и 1 молекулами H2O. При смешении CaCl2*6H2O (58,8 %) со снегом или льдом (41,2 %) температура понижается до --55 °C (криогидратная точка).

Хлорид кальция получают как побочный продукт в производстве соды.

В химической лаборатории хлорид кальция применяется в качестве наполнителя для осушающих трубок, также называемых хлоркальциевыми, предназначенных для изоляции веществ в сосуде от водяных паров атмосферы и для осушки газов.

Хлорид кальция также применяют как ускоритель схватывания цемента;

Карбонат кальция (углекислый кальций) -- неорганическое химическое соединение, соль угольной кислоты и кальция. Химическая формула --CaCO³. В природе встречается в виде минералов -- кальцита, арагонита и ватерита, является главной составной частью известняка, мрамора, мела, входит в состав скорлупы яиц. Нерастворим в воде и этаноле.

CaO+H2O ->Ca(OH)2

Ca(OH)2+CO2 ->CaCO3+H2O

Шпатлевки, различные герметики -- все они содержат карбонат кальция в значительных количествах. Также, карбонат кальция является важнейшим составным элементом при производстве продукции бытовой химии.

Карбонат кальция также широко используется в очистительных системах, как средство борьбы с загрязнением окружающей среды, при помощи карбоната кальция восстанавливают кислотно-щелочной баланс почвы.

Роль кальция и его соединений в физиологических процессах

В различных тканях содержится внутриклеточно и почти исключительно в форме растворимых белковых комплексов. Лишь в костной ткани, включающей до 97 % всех запасов кальция в организме, он находится главным образом в виде нерастворимых внеклеточных включений гидроксиапатита.

Содержание кальция в организме у детей составляет около 200 ммоль/л, у взрослых -- 475 ммоль/л. Содержание кальция в крови поддерживается в норме в диапазоне 2,5-2,8 ммоль/л.

Основной источник кальция -- продукты питания: молоко и молочные продукты, яйца, бобовые, сухофрукты и др. Для детей грудного возраста основной источник кальция -- молоко.У взрослого человека поддерживается нулевой баланс кальция, у детей -- положительный.

Кальций участвует в физиологических процессах только в ионизованном виде. Кальций -- необходимый участник процесса мышечного сокращения, важнейший компонент свертывающей системы крови (превращения протромбина в тромбин, фибриногена в фибрин, способствует агрегации тромбоцитов), как кофактор или активатор участвует в работе многих ферментов. Кальций входит в состав костей и хрящей в форме апатитов, является стабилизатором клеточных мембран, регулирует возбудимость нервов и мышц. Кальций -- внутриклеточный посредник в действии некоторых гормонов на клетку, универсальный триггер многих секреторных процессов. Ионизация кальция зависит от рН крови. При ацидозе содержание ионизованного кальция повышается, а при алкалозе падает. Алкалоз и снижение уровня кальция ведут к резкому повышению нейромышечной возбудимости.

Области применения веществ, образованных кальцием

Большие количества извести расходуются при производстве стали, где она используется для удаления фосфора, серы, кремния и марганца. В кислородно-конверторном процессе на тонну стали требуется 75 кг извести. Она заметно продлевает жизнь огнеупорной облицовки. Известь используется также в качестве смазочного материала при вытягивании стальной проволоки и нейтрализации отходов травильных жидкостей, содержащих серную кислоту. Еще одно применение в металлургии - производство магния.

Известь - наиболее распространенный химический реагент для обработки источников воды для питья и промышленности. Ее используют вместе с квасцами или солями железа для коагуляции суспензий и удаления помутнения, а также для смягчения воды за счет удаления временной (гидрокарбонатной) жесткости

Еще одна область применения извести - нейтрализация кислотных растворов и промышленных отходов. С ее помощью устанавливают оптимальное значение рН для биохимического окисления сточных вод. Известь используют и в газопромывателях для удаления диоксида серы и сероводорода из газовых отходов электростанций, работающих на ископаемом топливе, и печей для плавки металлов.

В химической промышленности известь используется при производстве карбида кальция (для последующего получения ацетилена), цианамида кальция и многих других веществ. Важным потребителем является также стекольная промышленность. Наиболее распространенные стекла содержат в своем составе около 12% оксида кальция. Инсектицид арсенат кальция, который получают нейтрализацией мышьяковой кислоты известью, широко используется для борьбы с хлопковым долгоносиком, яблонной плодожоркой, табачным червем, колорадским жуком. Важными фунгицидами являются известково-сульфатные аэрозоли и бордосские смеси, которые получают из сульфата меди и гидроксида кальция.

Большие количества гидроксида кальция требуются для целлюлозно-бумажной промышленности. На бумажных предприятиях отработанный раствор карбоната натрия обрабатывают известью для регенерации каустической соды (гидроксида натрия NaOH), используемой в технологическом процессе. Около 95% образовавшейся суспензии карбоната кальция высушивается и вновь обжигается во вращающихся печах для регенерации оксида кальция. Отбеливающие жидкости для бумажной пульпы, содержащие гипохлорит кальция, получают реакцией извести с хлором.

Производство высококачественной бумаги требует использования специально осажденного карбоната кальция. Для этого сначала обжигают известняк и собирают по отдельности диоксид углерода и оксид кальция. Последний затем обрабатывают водой и вновь переводят в карбонат. Тип образующихся кристаллов, а также их размеры и форма зависят от температуры, рН, скорости смешивания, концентраций и присутствия добавок. Мелкие кристаллы (менее 45 мкм) часто покрывают жирными кислотами, смолами или смачивающими веществами. Карбонат кальция придает бумаге яркость, непрозрачность, восприимчивость к чернилам и гладкость. В более высоких концентрациях он нейтрализует сильный глянец, вызываемый добавками каолина, и дает тусклый матовый оттенок. Такая бумага может содержать 5-50% (по массе) осажденного карбоната кальция. СаСО3 также используется как наполнитель в резинах, латексах, красках и эмалях, а также в пластиках (около 10% по массе) для улучшения их термостойкости, жесткости, твердости и обрабатываемости.

В быту и медицине осажденный карбонат кальция применяется как средство, нейтрализующее кислоту, мягкий абразив в зубных пастах, источник дополнительного кальция в диетах, составная часть жевательной резинки и наполнитель в косметике.

Известь применяется и в молочной промышленности. Известковую воду (насыщенный раствор гидроксида кальция) часто добавляют к сливкам при отделении их от цельного молока, чтобы понизить их кислотность перед пастеризацией и превращением в масло. Снятое молоко затем подкисляют, чтобы отделить казеин, который смешивают с известью для получения казеинового клея. После ферментации оставшегося снятого молока (сыворотки) к нему добавляют известь, чтобы выделить лактат кальция, который используют в медицине или как сырье для последующего получения молочной кислоты. Производство сахара также связано с использованием извести. Для осаждения сахарата кальция, который затем очищают от фосфатных и органических загрязнений, проводят реакцию сырого сахарного сиропа с известью. Последующее действие диоксида углерода приводит к образованию нерастворимого карбоната кальция и очищенной растворимой сахарозы. Цикл повторяют несколько раз. Тростниковый сахар обычно требует около 3-5 кг извести на тонну, а свекловичный сахар - в сто раз больше, то есть около 1/2 тонны извести на тонну сахара.

Можно отметить также частную область применения карбоната кальция в виде перламутра. Это материал, образованный тонкими слоями карбоната кальция в форме арагонита, соединенными белковым клеем. После полировки он переливается всеми цветами радуги и становится декоративным, очень прочен, хотя на 95% состоит из карбоната кальция.

Сульфат кальция обычно существует в виде дигидрата (гипс), хотя добывают и безводный сульфат кальция (ангидрит). Известен также алебастр - компактная, массивная, мелкозернистая форма CaSO4·2H2O, напоминающая мрамор. Если гипс прокалить при 150-165° С, он теряет примерно 2/3 кристаллизационной воды и образует полугидратCaSO4·0,5H2O, известный также как строительный алебастр, или «парижская штукатурка» (так как его первоначально получали из гипса, добытого на Монмартре). Нагревание при более высокой температуре приводит к образованию различных безводных форм.

Хотя гипс добывают не в таких количествах, как известняк, он остается промышленно важным материалом. Почти весь прокаленный гипс (95%) используется для производства полуфабрикатов - в основном, стеновых панелей, а остальное количество - в промышленных и строительных штукатурках. Поглощая воду, полугидрат незначительно расширяется (на 0,2-0,3%), и это главное при его использовании для лепнины и штукатурки. Применяя добавки, можно менять степень его расширения в пределах 0,03-1,2%.

Список литературы

1. Кольман Я., Рём К.-Г. Наглядная биохимия: Пер. с нем. - М., Мир, 2000

2. Турова Н.Я. Справочные таблицы по неорганической химии. «Химия». Л. 1977. -116 с.

3. Рипан Р., Четяну И. Неорганическая химия. Том 1. -М.: «Мир». 1971. -560 с.; Рипан Р., Четяну И. Неорганическая химия. Том 2. -М.: «Мир». 1972. -872 с.

4. Редкол.: Кнунянц И. Л. (гл. ред.) Химическая энциклопедия: в 5 т. -- Москва: Советская энциклопедия, 1990. -- Т. 2. -- С. 293. -- 671 с

Размещено на Allbest.ru