Точка на кипене на калций. Прах от пещи и циментови заводи. В скали и минерали

Въпреки че калцият е много разпространен по целия свят, той не се среща в свободно състояние в природата.

Преди да научим как може да се получи чист калций, нека разгледаме естествените калциеви съединения.

Калцият е метал. В периодичната таблица на Менделеев, калций (калций), Ca има атомен номер 20 иразположени във II група. Това е химически активен елемент, той лесно взаимодейства с кислорода. Има сребристо бял цвят.

Естествени калциеви съединения

Почти навсякъде откриваме калциеви съединения.

Калциев карбонат,или калциев карбонат – това е най-разпространеното калциево съединение. Химичната му формула е CaCO 3. Мрамор, креда, варовик, черупка - всички тези вещества съдържат калциев карбонат с малко количество примеси. Няма абсолютно никакви примеси в калцита, чиято формула също е CaCO 3.

Калциев сулфатнаричан още калциев сулфат. Химичната формула на калциевия сулфат CaSO 4. Известният ни минерал гипс е кристален хидрат CaSO 4 2H 2 O.

Калциев фосфат,ортофосфорна киселина калциева сол. Това е материалът, от който са изградени костите на хората и животните. Този минерал се нарича трикалциев фосфат Ca 3 (PO 4) 2.

Калциев хлоридCaCl 2, или калциев хлорид, се среща в природата под формата на кристален хидрат CaCl 2 · 6H 2 O. При нагряване това съединение губи молекули вода.

Калциев флуорид CaF 2, или калциев флуорид, се намира естествено в минералния флуорит. А чистият кристален калциев дифлуорид се нарича флуор шпат.

Но не винаги естествените калциеви съединения имат свойствата, от които хората се нуждаят. Следователно човек се е научил изкуствено да превръща подобни съединения в други вещества. Някои от тези изкуствени съединения са ни дори по-познати от естествените. Пример за това е гасената Ca (OH) 2 и CaO негасена вар, които се използват от хората от много дълго време. Много строителни материали като цимент, калциев карбид и белина също съдържат изкуствени калциеви съединения.

Какво е електролиза

Вероятно почти всички сме чували за феномена, наречен електролиза. Ще се опитаме да дадем най-простото описание на този процес.

Ако през водни разтвори на соли се предава електрически ток, в резултат на химични трансформации се образуват нови химични вещества. Процесите, които протичат в разтвор, когато през него преминава електрически ток, се наричат ​​електролиза. Всички тези процеси се изучават от наука, наречена електрохимия. Разбира се, процесът на електролиза може да се осъществи само в среда, която провежда ток. Водни разтвори на киселини, основи и соли са такава среда. Те се наричат ​​електролити.

Електродите са потопени в електролита. Отрицателно зареден електрод се нарича катод. Положително зареден електрод се нарича анод. Когато електрически ток премине през електролита, настъпва електролиза. В резултат на електролиза съставните части на разтворените вещества се утаяват върху електродите. На катода - положително зареден, на анода - отрицателен. Но върху самите електроди могат да възникнат вторични реакции, в резултат на които се образува вторично вещество.

Виждаме, че с помощта на електролиза се образуват химически продукти без използването на химически реагенти.

Как се получава калцият

В промишлеността калцият може да бъде получен чрез електролиза на разтопен калциев хлорид CaCl 2.

CaCl2 = Ca + Cl2

В този процес ваната от графит е анодът. Ваната се поставя в електрическа фурна. Катоден е железен прът, който се движи по ширината на банята, както и има способността да се издига и пада. Електролитът е разтопен калциев хлорид, който се излива във ваната. Катодът се спуска в електролита. Така започва процесът на електролиза. Под катода се образува разтопен калций. Когато катодът се издига, калцият се втвърдява в точката на контакт с катода. Така постепенно, в процеса на повдигане на катода, калцият се натрупва под формата на лента. След това калциевият прът се отблъсква от катода.

За първи път чист калций се получава чрез електролиза през 1808г.

Калцият се получава и от оксиди чрез алумотермична редукция .

4CaO + 2Al -> CaAl 2 O 4 + Ca

В този случай калцият се получава под формата на пара. След това тази пара се кондензира.

Калцият е силно реактивен. Ето защо той се използва широко в индустрията за редукция на огнеупорни метали от оксиди, както и при производството на стомана и чугун.

Калцият е елемент от основната подгрупа на втората група, четвърти период от периодичната система от химични елементи на Д. И. Менделеев, с атомен номер 20. Той се обозначава със символа Ca (лат. Калций). Просто вещество, калций, е мек, химически активен алкалоземен метал със сребристо-бял цвят.

Калций в околната среда

В природата има много: скалите и глинестите скали се образуват от калциеви соли, намира се в морската и речната вода, част е от растителни и животински организми. Калцият представлява 3,38% от масата на земната кора (5-та по разпространение след кислород, силиций, алуминий и желязо).

Калциеви изотопи

Калцият се среща естествено под формата на смес от шест изотопа: 40 Са, 42 Са, 43 Са, 44 Са, 46 Са и 48 Са, сред които най-често - 40 Са - е 96,97%.

От шестте естествени изотопа на калция, пет са стабилни. Шестият изотоп 48 Ca, най-тежкият от шестте и много рядък (изотопното му изобилие е само 0,187%), наскоро беше открит, че претърпява двоен бета разпад с полуживот 5,3 × 10 19 години.

Съдържание на калций в скалите и минералите

По-голямата част от калция се съдържа в силикатите и алумосиликатите на различни скали (гранити, гнайси и др.), Особено в полевия шпат - анортит Ca.

Под формата на седиментни скали калциевите съединения са представени от креда и варовик, състоящи се главно от минерала калцит (CaCO 3). Кристалната форма на калцит - мрамор - е много по-рядко срещана в природата.

Калциеви минерали като калцит CaCO 3, анхидрит CaSO 4, алабастър CaSO 4 0,5H 2 O и гипс CaSO 4 2H 2 O, флуорит CaF 2, апатити Ca 5 (PO 4) 3 (F, Cl, OH), доломит MgCO 3 CaCO 3. Наличието на калциеви и магнезиеви соли в естествената вода определя нейната твърдост.

Калцият, енергично мигриращ в земната кора и натрупващ се в различни геохимични системи, образува 385 минерала (четвърти по брой минерали).

Миграция на калций в земната кора

При естествената миграция на калция съществена роля играе "карбонатното равновесие", свързано с обратимата реакция на взаимодействието на калциевия карбонат с вода и въглероден диоксид с образуването на разтворим бикарбонат:

CaCO 3 + H 2 O + CO 2 ↔ Ca (HCO 3) 2 ↔ Ca 2+ + 2HCO 3 -

(равновесието се измества наляво или надясно, в зависимост от концентрацията на въглероден диоксид).

Биогенната миграция играе огромна роля.

Съдържание на калций в биосферата

Калциевите съединения се намират в почти всички животински и растителни тъкани (вж. Също по-долу). Значително количество калций се намира в живите организми. И така, хидроксиапатит Ca 5 (PO 4) 3 OH, или, в друго обозначение, 3Ca 3 (PO 4) 2 · Ca (OH) 2 - основата на костната тъкан на гръбначните животни, включително хората; черупките и черупките на много безгръбначни, яйчени черупки и др. са съставени от калциев карбонат СаСО 3. В живите тъкани на хора и животни 1,4-2% Са (от масова част); в човешко тяло с тегло 70 кг, съдържанието на калций е около 1,7 кг (главно в състава на междуклетъчното вещество на костната тъкан).

Получаване на калций

За първи път калцият е получен от Дейви през 1808 г. с помощта на електролиза. Но подобно на други алкални и алкалоземни метали, клетка № 20 не може да бъде получена чрез електролиза от водни разтвори. Калцият се получава чрез електролиза на разтопените му соли.

Това е сложен и енергоемък процес. В електролизатора калциевият хлорид се топи с добавяне на други соли (те са необходими, за да се понижи точката на топене на CaCl2).

Стоманеният катод докосва само повърхността на електролита; калцият, който се откроява, залепва и замръзва върху него. С освобождаването на калция катодът постепенно се повдига и в крайна сметка се получава калциев "прът" с дължина 50 ... 60 см. След това се изважда, бие от стоманения катод и процесът започва отново. Чрез "метод на докосване" получавайте силно замърсен калций с калциев хлорид, желязо, алуминий, натрий. Пречиства се чрез топене в аргонова атмосфера.

Ако стоманеният катод е заменен с катод, направен от метал, който може да бъде легиран с калций, тогава съответната сплав ще бъде получена по време на електролиза. В зависимост от предназначението може да се използва като сплав или да се получи чист калций чрез вакуумна дестилация. Така се получават калциеви сплави с цинк, олово и мед.

Друг метод за получаване на калций - металотермичен - е теоретично обоснован през 1865 г. от известния руски химик Н.Н. Бекетов. Калцият се редуцира с алуминий при налягане само 0,01 mm Hg. Температура на процеса 1100 ... 1200 ° C. Калцият се получава под формата на пара, която след това се кондензира.

През последните години е разработен друг метод за получаване на елемент. Той се основава на термичната дисоциация на калциевия карбид: когато се нагрява във вакуум до 1750 ° C, карбидът се разлага с образуването на калциеви пари и твърд графит.

Физически свойства на калция

Калциевият метал съществува в две алотропни модификации. До 443 ° C, α-Ca с кубична лицево центрирана решетка е стабилна (параметър a = 0,558 nm), по-висока е стабилна β-Ca с кубична телесно центрирана решетка от тип α-Fe (параметър a = 0,448 nm). Стандартна енталпия Δ З. 0 от α → β прехода е 0,93 kJ / mol.

С постепенно увеличаване на налягането, той започва да проявява свойствата на полупроводник, не се превръща в полупроводник в пълния смисъл на думата (вече не е и метал). С по-нататъшно повишаване на налягането той се връща в метално състояние и започва да проявява свръхпроводящи свойства (свръхпроводящата температура е шест пъти по-висока от тази на живака и е много по-висока в проводимостта от всички останали елементи). Уникалното поведение на калция е подобно в много отношения на стронция.

Въпреки повсеместното разпространение на елемента, дори химиците дори не виждат елементарен калций. Но този метал, както външно, така и като поведение, е напълно различен от алкалните метали, комуникацията с които е изпълнена с опасност от пожари и изгаряния. Може безопасно да се съхранява на въздух, не е запалим от вода. Механичните свойства на елементарния калций не го правят "черна овца" в семейството на металите: калцият превъзхожда много от тях по здравина и твърдост; може да се обърне на струг, да се изтегли в тел, да се кова, да се пресова.

И все пак елементарният калций почти никога не се използва като структурен материал. Той е твърде активен за това. Калцият лесно реагира с кислород, сяра, халогени. Дори с азот и водород той реагира при определени условия. Средата на въглеродните оксиди, инертна за повечето метали, е агресивна за калция. Изгаря в атмосфера на CO и CO 2.

Естествено, имайки такива химични свойства, калцият не може да бъде в свободно състояние по природа. Но калциевите съединения - както естествени, така и изкуствени - са станали от първостепенно значение.

Химични свойства на калция

Калцият е типичен алкалоземен метал. Химичната активност на калция е висока, но по-ниска от тази на всички други алкалоземни метали. Той лесно взаимодейства с кислород, въглероден диоксид и влага във въздуха, което прави повърхността на металния калций обикновено тъпосива, така че в лабораторията калцият обикновено се съхранява, подобно на други алкалоземни метали, в плътно затворен буркан под слой керосин или течен парафин.

В поредицата от стандартни потенциали калцият е разположен вляво от водорода. Стандартният електроден потенциал на двойката Ca 2+ / Ca 0 е -2,84 V, така че калцият активно реагира с вода, но без запалване:

Ca + 2H 2 O = Ca (OH) 2 + H 2 + Q.

Калцият реагира с активни неметали (кислород, хлор, бром) при нормални условия:

2Ca + O2 = 2CaO, Ca + Br2 = CaBr 2.

При нагряване на въздух или кислород калцият се възпламенява. Калцият взаимодейства с по-малко активни неметали (водород, бор, въглерод, силиций, азот, фосфор и други) при нагряване, например:

Ca + H2 = CaH2, Ca + 6B = CaB 6,

3Ca + N2 = Ca3N2, Ca + 2C = CaC2,

3Ca + 2P = Ca3P2 (калциев фосфид), калциеви фосфиди от съставите CaP и CaP5 също са известни;

2Ca + Si = Ca2 Si (калциев силицид), калциеви силициди от съставите CaSi, Ca3Si4 и CaSi2 също са известни.

Ходът на горните реакции, като правило, е придружен от отделянето на голямо количество топлина (т.е. тези реакции са екзотермични). Във всички съединения с неметали степента на окисление на калция е +2. Повечето калциеви съединения с неметали се разлагат лесно от водата, например:

CaH 2 + 2H 2 O = Ca (OH) 2 + 2 H 2,

Ca3N2 + 3H2O = 3Ca (OH) 2 + 2NH3.

Йонът Ca 2+ е безцветен. Когато в пламъка се въведат разтворими калциеви соли, пламъкът става тухленочервен.

Калциевите соли като хлорид CaCl2, бромид CaBr2, йодид CaI2 и нитрат Ca (NO3) 2 са лесно разтворими във вода. Флуорид CaF 2, карбонат CaCO 3, сулфат CaSO 4, ортофосфат Ca 3 (PO 4) 2, оксалат CaC 2 O 4 и някои други са неразтворими във вода.

От голямо значение е фактът, че за разлика от калциевия карбонат CaCO 3, киселият калциев карбонат (бикарбонат) Ca (HCO 3) 2 е разтворим във вода. В природата това води до следните процеси. Когато студен дъжд или речна вода, наситена с въглероден диоксид, проникне под земята и падне върху варовици, се наблюдава тяхното разтваряне:

CaCO 3 + CO 2 + H 2 O = Ca (HCO 3) 2.

На същите места, където водата, наситена с калциев бикарбонат, излиза на повърхността на земята и се нагрява от слънчевите лъчи, протича обратната реакция:

Ca (HCO 3) 2 = CaCO 3 + CO 2 + H 2 O.

Така в природата се пренасят големи маси вещества. В резултат на това под земята могат да се образуват огромни пролуки и в пещерите се образуват красиви каменни „ледени висулки“ - сталактити и сталагмити.

Наличието на разтворен калциев бикарбонат във вода до голяма степен определя временната твърдост на водата. Нарича се временно, тъй като при кипене на вода бикарбонатът се разлага и CaCO 3 се утаява. Това явление води например до факта, че с течение на времето се натрупва котлен камък в чайника.

Приложение калций

Доскоро метален калций почти никога не се използва. САЩ, например, преди Втората световна война са консумирали само 10 ... 25 тона калций годишно, Германия - 5 ... 10 тона. Но за развитието на нови области на техниката са необходими много редки и огнеупорни метали . Оказа се, че калцият е много удобен и активен редуциращ агент за много от тях и елементът започва да се използва в производството на торий, ванадий, цирконий, берилий, ниобий, уран, тантал и други огнеупорни метали. Чистият метален калций се използва широко в металотермията за производството на редки метали.

Чистият калций се използва за легиране на олово, използвано при производството на плочи на акумулаторни батерии, без нужда от поддръжка стартерни оловни батерии с ниско саморазреждане. Също така, металният калций се използва за производството на висококачествени калциеви бабити BKA.

Приложение на метален калций

Основното използване на металния калций е като редуктор при производството на метали, особено никел, мед и неръждаема стомана. Калцият и неговият хидрид също се използват за получаване на трудно редуцируеми метали като хром, торий и уран. Калциевите оловни сплави се използват в батерии и лагерни сплави. Калциевите гранули също се използват за отстраняване на следи от въздух от вакуумното оборудване.

Прахообразният естествен креда се използва в метални полиращи смеси. Но не можете да миете зъбите си с естествен креда на прах, тъй като той съдържа остатъци от черупки и черупки от най-малките животни, които имат повишена твърдост и разрушават зъбния емайл.

Използвайкикалцийпри ядрен синтез

Изотопът 48 Ca е най-ефективният и често използван материал за производството на свръхтежки елементи и откриването на нови елементи в периодичната таблица. Например, в случай на използване на 48 Ca йони за получаване на свръхтежки елементи в ускорителите, ядрата на тези елементи се образуват стотици и хиляди пъти по-ефективно, отколкото при използване на други „снаряди“ (йони). Радиоактивният калций се използва широко в биологията и медицината като изотопен индикатор при изследване на процесите на минерален метаболизъм в живия организъм. С негова помощ беше установено, че в организма има непрекъснат обмен на калциеви йони между плазмата, меките тъкани и дори костната тъкан. 45 Ca също играе важна роля при изучаването на метаболитните процеси, протичащи в почвите, и при изучаването на процесите на асимилация на калций от растенията. Използвайки същия изотоп, беше възможно да се открият източници на замърсяване на стомана и ултрачисто желязо с калциеви съединения по време на процеса на топене.

Способността на калция да свързва кислорода и азота направи възможно използването му за пречистване на инертни газове и като гетер (Getter е вещество, използвано за абсорбиране на газове и създаване на дълбок вакуум в електронните устройства.) Във вакуум радиооборудване.

Приложение на калциеви съединения

Някои изкуствено произведени калциеви съединения са станали още по-познати и познати от варовика или гипса. И така, гасената Ca (OH) 2 и варовикова вар CaO са били използвани от строителите на древността.

Циментът също е изкуствено калциево съединение. Първо се изстрелва смес от глина или пясък с варовик, за да се получи клинкер, който след това се смила на фин сив прах. Можете да говорите много за цимент (или по-скоро за цименти), това е темата на независима статия.

Същото се отнася и за стъклото, което също обикновено включва елемент.

Калциев хидрид

Чрез нагряване на калций във водородна атмосфера се получава CaH 2 (калциев хидрид), който се използва в металургията (металотермия) и при производството на водород на полето.

Оптични и лазерни материали

Калциевият флуорид (флуорит) се използва под формата на монокристали в оптиката (астрономически обективи, лещи, призми) и като лазерен материал. Калциевият волфрамат (шеелит) под формата на монокристали се използва в лазерната технология, както и като сцинтилатор.

Калциев карбид

Калциевият карбид е вещество, открито случайно при тестване на нов дизайн на пещта. Доскоро калциевият карбид CaCl 2 се използваше главно за автогенно заваряване и рязане на метали. Когато карбидът взаимодейства с вода, се образува ацетилен и изгарянето на ацетилен в кислороден поток позволява да се получи температура от почти 3000 ° C. Напоследък ацетиленът и заедно с него карбид се консумират все по-малко за заваряване и все повече в химическата индустрия.

Калций катохимически източник на ток

Калцият, както и неговите сплави с алуминий и магнезий, се използват в резервни термични електрически батерии като анод (например елемент на калциев хромат). Калциевият хромат се използва като катод в тези батерии. Особеността на такива батерии е изключително дълъг срок на годност (десетилетия) в подходящо състояние, възможност за работа при всякакви условия (пространство, високо налягане), висока специфична енергия от тегло и обем. Недостатък в кратка продължителност. Такива батерии се използват там, където е необходимо да се създаде колосална електрическа енергия за кратко време (балистични ракети, някои космически кораби и др.).

Огнеупорни материали откалций

Калциевият оксид, както в свободна форма, така и като част от керамични смеси, се използва при производството на огнеупорни материали.

Лекарства

Калциевите съединения се използват широко като антихистамини.

• Калциев хлорид
• Калциев глюконат
• Калциев глицерофосфат

Освен това калциевите съединения се въвеждат в състава на препаратите за профилактика на остеопороза, във витаминните комплекси за бременни жени и възрастни хора.

Калций в човешкото тяло

Калцият е често срещан макронутриент при растенията, животните и хората. При хората и други гръбначни животни по-голямата част се съдържа в скелета и зъбите под формата на фосфати. Скелетите на повечето безгръбначни групи (гъби, коралови полипи, мекотели и др.) Са съставени от различни форми на калциев карбонат (вар). Нуждата от калций зависи от възрастта. За възрастни необходимата дневна доза е от 800 до 1000 милиграма (mg), а за деца от 600 до 900 mg, което е много важно за децата поради интензивния растеж на скелета. По-голямата част от калция, постъпващ в човешкото тяло с храна, се намира в млечните продукти, останалият калций се съдържа в месото, рибата и някои растителни продукти (особено бобовите съдържат много).

Аспиринът, оксаловата киселина, естрогенните производни пречат на абсорбцията на калций. Когато се комбинира с оксалова киселина, калцият произвежда неразтворими във вода съединения, които са компоненти на камъни в бъбреците.

Прекомерните дози калций и витамин D могат да причинят хиперкалциемия, последвана от интензивно калциране на костите и тъканите (засягащи предимно отделителната система). Максималната дневна безопасна доза за възрастен е 1500 до 1800 милиграма.

Калций в твърда вода

Комплексът от свойства, определени с една дума "твърдост", се дава на водата от разтворените в нея соли на калция и магнезия. Твърдата вода е неподходяща за много случаи. Той образува слой от котлен камък в парни котли и котелни инсталации, затруднява боядисването и измиването на тъканите, но е подходящ за приготвяне на сапун и приготвяне на емулсии в парфюмерията. Следователно, по-рано, когато методите за омекотяване на водата са били несъвършени, текстилните и парфюмерийните предприятия обикновено са били разположени в близост до източници на „мека“ вода.

Разграничаване между временна и постоянна скованост. Временната (или карбонатна) твърдост се придава на водата чрез разтворими бикарбонати Ca (HCO 3) 2 и Mg (HCO 3) 2. Тя може да бъде елиминирана чрез просто кипене, при което бикарбонатите се превръщат във неразтворими във вода калциеви и магнезиеви карбонати.

Постоянна твърдост се създава от сулфати и хлориди от същите метали. И може да бъде елиминиран, но е много по-трудно да се направи.

Сумата от двете твърдости е общата твърдост на водата. В различните страни се оценява по различен начин. Обичайно е твърдостта на водата да се изразява в милиграм еквивалента калций и магнезий в един литър вода. Ако в литър вода има по-малко от 4 mg-eq, тогава водата се счита за мека; тъй като концентрацията им се увеличава, тя става все по-твърда и, ако съдържанието надвишава 12 единици, е много трудно.

Твърдостта на водата обикновено се измерва със сапунен разтвор. Такъв разтвор (с определена концентрация) се добавя на капки към измереното количество вода. Докато във водата има йони Ca 2+ или Mg 2+, те ще пречат на образуването на пяна. Съдържанието на йони Ca 2+ и Mg 2+ се изчислява от консумацията на сапунения разтвор преди появата на пяна.

Интересно е, че твърдостта на водата се определя по подобен начин в древен Рим. Единственият реагент беше червеното вино - оцветителите му също образуват утайка с калциеви и магнезиеви йони.

Съхранение на калций

Металният калций може да се съхранява дълго време на парчета с тегло от 0,5 до 60 кг. Такива парчета се съхраняват в хартиени торбички, вградени в поцинковани железни барабани със запоени и боядисани шевове. Плътно затворените барабани се поставят в дървени щайги. Парчета с тегло под 0,5 кг не могат да се съхраняват дълго време - те бързо се превръщат в оксид, хидроксид и калциев карбонат.

Калций- елемент от 4-ти период и PA-група на Периодичната система, сериен номер 20. Електронната формула на атома [18 Ar] 4s 2, степени на окисление +2 и 0. Отнася се за алкалоземни метали. Той има ниска електроотрицателност (1,04) и проявява метални (основни) свойства. Образува (като катион) множество соли и бинарни съединения. Много калциеви соли са слабо разтворими във вода. В природата - шестипо отношение на химическото изобилие елементът (третият сред металите) е в свързана форма. Жизненоважен елемент за всички организми. Липсата на калций в почвата се запълва чрез въвеждането на варови торове (CaCO 3, CaO, калциев цианамид CaCN 2 и др.). Калцият, калциевият катион и неговите съединения оцветяват пламъка на газова горелка в тъмно оранжев цвят ( откриване на качество).

Калций Ca

Сребро-бял метал, мек, пластичен. Във влажен въздух затъмнява и се покрива с филм от CaO и Ca (OH) 2. Изключително реактивен; възпламенява се при нагряване на въздух, реагира с водород, хлор, сяра и графит:

Намалява други метали от техните оксиди (индустриално важен метод - калциермия):

Получаванекалций в промишленост:

Калцият се използва за отстраняване на примесите на неметали от метални сплави, като компонент на леки и антифрикционни сплави, за отделяне на редки метали от техните оксиди.

Калциев оксид СаО

Основен оксид. Техническото наименование е негасена вар. Бяло, силно хигроскопично. Има йонна структура Ca 2+ O 2-. Огнеупорен, термично стабилен, летлив при запалване. Абсорбира влагата и въглеродния диоксид от въздуха. Реагира енергично с вода (висок екзо-ефект), образува силно алкален разтвор (възможно е утаяване с хидроксид), процесът се нарича гасене на вар. Реагира с киселини, метални и неметални оксиди. Използва се за синтез на други калциеви съединения, при производството на Ca (OH) 2, CaC 2 и минерални торове, като поток в металургията, катализатор в органичния синтез, компонент на свързващи вещества в строителството.

Уравнения на най-важните реакции:

Получаване CaO в индустрията- печене на варовик (900-1200 ° C):

CaCO3 = CaO + CO2

Калциев хидроксид Ca (OH) 2

Основен хидроксид. Техническото наименование е гасена вар. Бяло, хигроскопично. Има йонна структура Ca 2+ (OH -) 2. Разлага се при умерено нагряване. Абсорбира влагата и въглеродния диоксид от въздуха. Той е слабо разтворим в студена вода (образува се алкален разтвор), още по-малко във вряща вода. Бистър разтвор (варова вода) бързо се замъглява поради утаяването на хидроксидна утайка (суспензията се нарича варово мляко). Качествена реакция към Ca 2+ йона е преминаването на въглероден диоксид през варова вода с появата на утайка CaCO 3 и преминаването му в разтвор. Реагира с киселини и кисели оксиди, влиза в реакции на йонообмен. Използва се при производството на стъкло, избелване на вар, варови минерални торове, за каустифициране на сода и омекотяване на прясна вода, както и за приготвяне на варови разтвори - пастообразни смеси (пясък + гасена вар + вода), служещи като свързващо вещество за зидария и тухлена зидария, довършителни работи (измазване) на стени и други строителни цели. Втвърдяването ("настройването") на такива разтвори се дължи на абсорбцията на въглероден диоксид от въздуха.

КАЛЦИЙ (лат. Calcium), Ca, химичен елемент от група II с къса форма (2-ра група с дълга форма) на периодичната система; се отнася до алкалоземни метали; атомен номер 20; атомна маса 40.078. В природата има 6 стабилни изотопа: 40 Са (96,941%), 42 Са (0,647%), 43 Са (0,135%), 44 Са (2,086%), 46 Са (0,004%), 48 Са (0,187%); изкуствено получени радиоизотопи с масови числа 34-54.

Историческа справка.Много естествени калциеви съединения са били известни в древността и са били широко използвани в строителството (например гипс, вар, мрамор). Металният калций е изолиран за първи път от Г. Дейви през 1808 г. по време на електролизата на смес от СаО и HgO оксиди и последващото разлагане на образуваната калциева амалгама. Името идва от латинското calx (генитив calcis) - вар, мек камък.

Разпространение в природата... Съдържанието на калций в земната кора е 3,38% тегловни. Поради високата си химическа активност не се среща в свободно състояние. Най-често срещаните минерали са анортит Ca, анхидрит CaSO 4, апатит Ca 5 (PO 4) 3 (F, Cl, OH), гипс CaSO 4 2H 2 O, калцит и арагонит CaCO 3, перовскит CaTiO 3, флуорит CaF 2, шеелит CaWO четири. Калциевите минерали се намират в седиментни (напр. Варовик), магматични и метаморфни скали. Калциевите съединения се намират в живите организми: те са основните компоненти на гръбначните костни тъкани (хидроксиапатит, флуорапатит), коралови скелети, черупки на мекотели (калциев карбонат и фосфати) и др. Наличието на йони Ca 2+ определя твърдостта на водата .

Имоти... Конфигурацията на външната електронна обвивка на калциевия атом е 4s 2; в съединенията проявява степен на окисление +2, рядко +1; Електроотрицателност на Полинг 1.00, атомен радиус 180 pm, радиус на Ca 2+ йона 114 pm (координационен номер 6). калцият е сребристо бял мек метал; до 443 ° С, модификацията с кубична лицево центрирана кристална решетка е стабилна, над 443 ° С - с кубична телесно центрирана решетка; t pl 842 ° C, t bp 1484 ° C, плътност 1550 kg / m 3; топлопроводимост 125,6 W / (m · K).

Калцият е метал с висока химическа активност (съхранява се в херметически затворени съдове или под слой минерално масло). При нормални условия той лесно взаимодейства с кислород (образува се калциев оксид СаО), при нагряване - с водород (CaH 2 хидрид), халогени (калциеви халиди), бор (CaB 6 борид), въглерод (CaC 2 калциев карбид), силиций (Ca силициди 2 Si, CaSi, CaSi 2, Ca 3 Si 4), азот (нитрид Ca 3 N 2), фосфор (фосфиди Ca 3 P 2, CaP, CaP 5), халкогени (халкогениди от състав CaX, където X е S, Se, Тези). Калцият взаимодейства с други метали (Li, Cu, Ag, Au, Mg, Zn, Al, Pb, Sn и др.), За да образува интерметални съединения. Металният калций взаимодейства с вода, образувайки калциев хидроксид Ca (OH) 2 и H2. Реагира енергично с повечето киселини, образувайки съответните соли (например калциев нитрат, калциев сулфат, калциеви фосфати). Той се разтваря в течен амоняк, образувайки тъмносин метален разтвор. Когато амонякът се изпари, от такъв разтвор се отделя амоняк. Калцият постепенно реагира с амоняк, образувайки амид Ca (NH 2) 2. Образува различни сложни съединения, като най-важни са комплекси с кислородсъдържащи полидентатни лиганди, например Ca-комплексани.

Биологична роля... Калцият е биогенен елемент. Ежедневната потребност на човека от калций е около 1 г. При живите организми калциевите йони участват в процесите на мускулно свиване, предаване на нервни импулси.

Получаване... Металният калций се получава чрез електролитни и металотермични методи. Електролитният метод се основава на електролизата на разтопен калциев хлорид с сензорен катод или течен медно-калциев катод. От образуваната медно-калциева сплав калцият се дестилира при температура 1000-1080 ° C и налягане 13-20 kPa. Металотермичният метод се основава на редукцията на калций от неговия оксид с алуминий или силиций при 1100-1200 ° С. Това образува калциев алуминат или силикат, както и газообразен калций, който след това се кондензира. Световното производство на калциеви съединения и материали, съдържащи калций, около 1 милиард тона годишно (1998).

Приложение... Калцият се използва като редуциращ агент при производството на много метали (Rb, Cs, Zr, Hf, V и др.). Калциевите силициди, както и калциевите сплави с натрий, цинк и други метали се използват като дезоксиданти и десулфуризатори на някои сплави и масло, за пречистване на аргон от кислород и азот, в електрически вакуумни устройства като абсорбатор на газ. Хлорид CaCl 2 се използва като сушител в химичния синтез, гипсът се използва в медицината. Калциевите силикати са основните компоненти на цимента.

Лит .: Родякин В. В. Калций, неговите съединения и сплави. М., 1967; Спицин В. И., Мартиненко Л. И. Неорганична химия. М., 1994. Част 2; Неорганична химия / Под редакцията на Ю. Д. Третяков. М., 2004. Т. 2.

Л. Н. Комисарова, М. А. Рюмин.

Калциеви съединения- варовик, мрамор, гипс (както и вар - продукт от варовик) са били използвани в строителния бизнес в древността. До края на 18 век химиците са смятали вар за просто тяло. През 1789 г. А. Лавуазие предполага, че вар, магнезия, барит, алуминиев оксид и силициев диоксид са сложни вещества. През 1808 г. Дейви, подлагайки смес от мокра гасена вар с живачен оксид на електролиза с живачен катод, приготвя калциева амалгама и като дестилира живак от нея, получава метал, наречен "калций" (от лат. Калх,род. случай калцис - вар).

Поставяне на електрони в орбитали.

+ 20Са ... | 3s 3p 3d | 4s

Калцият се нарича алкалноземен метал и се нарича S - елементи. На външното електронно ниво калцият има два електрона, така че дава съединения: CaO, Ca (OH) 2, CaCl2, CaSO4, CaCO3 и др. Калцият принадлежи към типичните метали - той има висок афинитет към кислорода, намалява почти всички метали от техните оксиди, образува доста силна основа Ca (OH) 2.

Кристалните решетки на металите могат да бъдат от различни видове, но калцият се характеризира с лицево центрирана кубична решетка.

Размерът, формата и взаимното разположение на кристалите в металите се излъчват по металографски методи. Най-пълната оценка на структурата на метала в това отношение се дава чрез микроскопски анализ на тънкия му участък. Пробата се изрязва от метала, който ще се тества, и равнината му се смила, полира и гравира със специален разтвор (ецване). В резултат на ецването се освобождава структурата на пробата, която се изследва или снима с помощта на металографски микроскоп.

Калцият е лек метал (d = 1,55), сребристо бял. Той е по-твърд и се топи при по-висока температура (851 ° C) в сравнение с натрия, който се намира до него в периодичната таблица. Това се дължи на факта, че в един метал има два електрона за един калциев йон. Следователно химическата връзка между йони и електронен газ е по-силна от тази на натрия. При химични реакции валентните електрони на калция се прехвърлят към атомите на други елементи. В този случай се образуват двойно заредени йони.

Калцият е силно реактивен към метали, особено кислород. Във въздуха той се окислява по-бавно от алкалните метали, тъй като оксидният филм върху него е по-малко пропусклив за кислорода. При нагряване калцият изгаря с отделянето на огромни количества топлина:

Калцият реагира с вода, измества водорода от нея и образува основа:

Ca + 2H2O = Ca (OH) 2 + H2

Поради високата си химическа активност по отношение на кислорода, калцият намира приложение в производството на редки метали от техните оксиди. Металните оксиди се нагряват заедно с калциеви стърготини; в резултат на реакциите се получават калциев оксид и метал. Използването на калций и някои от неговите сплави за т. Нар. Дезоксидация на метали се основава на същото свойство. Към разтопения метал се добавя калций и той премахва следи от разтворен кислород; полученият калциев оксид изплува на повърхността на метала. Калцият се съдържа в някои сплави.

Калцият се получава чрез електролиза на разтопен калциев хлорид или алумотермичен метод. Калциевият оксид или гасената вар е бял прах, той се топи при 2570 ° C. Получава се чрез калциниране на варовик:

CaCO3 = CaO + CO2 ^

Калциевият оксид е основен оксид, така че той реагира с киселини и киселинни анхидриди. С вода той дава основа - калциев хидроксид:

CaO + H2O = Ca (OH) 2

Добавянето на вода към калциев оксид, наречено гасене на вар, продължава с отделянето на голямо количество топлина. Част от водата се превръща в пара. Калциевият хидроксид или гасената вар е бяло вещество, слабо разтворимо във вода. Воден разтвор на калциев хидроксид се нарича варова вода. Такова решение има доста силни алкални свойства, тъй като калциевият хидроксид дисоциира добре:

Ca (OH) 2 = Ca + 2OH

В сравнение с хидрати на оксиди на алкални метали, калциевият хидроксид е по-слаба основа. Това се обяснява с факта, че калциевият йон се зарежда двойно и привлича по-силно хидроксилните групи.

Гасената вар и нейният разтвор, наречен варова вода, реагират с киселини и киселинни анхидриди, включително въглероден диоксид. Варовата вода се използва в лабораториите за откриване на въглероден диоксид, тъй като образуваният неразтворим калциев карбонат води до замъгляване на водата:

Ca + 2OH + CO2 = CaCO3v + H2O

При продължително предаване на въглероден диоксид обаче разтворът отново става бистър. Това се дължи на факта, че калциевият карбонат се превръща в разтворима сол - калциев бикарбонат:

CaCO3 + CO2 + H2O = Ca (HCO3) 2

В индустрията калцият се получава по два начина:

Нагряване на брикетирана смес от CaO и Al на прах при 1200 ° C във вакуум от 0,01 - 0,02 mm. rt. Изкуство .; излъчен по реакция:

6СаО + 2Аl = 3CaO Al2O3 + 3Ca

Калциевите пари се кондензират на студена повърхност.

Сплавът Cu - Ca (65% Ca) се получава чрез електролиза на стопилката CaCl2 и KCl с течен медно-калциев катод, от който калцият се дестилира при температура 950 - 1000 ° C във вакуум 0,1 - 0,001 mm Hg.

Разработен е и метод за получаване на калций чрез термична дисоциация на калциев карбид CaC2.

Калцият е един от най-разпространените елементи в природата. В земната кора тя съдържа приблизително 3% (маса.). Калциевите соли естествено образуват големи натрупвания под формата на карбонати (креда, мрамор), сулфати (гипс), фосфати (фосфорити). Под действието на вода и въглероден диоксид карбонатите преминават в разтвор под формата на въглеводороди и се транспортират от подземни и речни води на големи разстояния. Пещерите могат да се образуват, когато калциевите соли се измият. Депозитите на калциев карбонат могат да се образуват на новото място поради изпаряването на водата или повишаването на температурата. Например в пещерите се образуват сталактити и сталагмити.

Разтворимите калциеви и магнезиеви соли определят общата твърдост на водата. Ако те присъстват във вода в малки количества, тогава водата се нарича мека. С високо съдържание на тези соли (100 - 200 mg. Калциеви соли - в 1 литър. По отношение на йони), водата се счита за твърда. В такава вода сапунът не се пени добре, тъй като калциевите и магнезиевите соли образуват с него неразтворими съединения. В твърда вода хранителните продукти се сваряват лошо, а когато се варят, то дава котлен камък по стените на парните котли. Скалата лошо провежда топлина, причинява увеличаване на разхода на гориво и ускорява износването на стените на котела. Образуването на скала е сложен процес. При нагряване киселите соли на калция и магнезия с въглена киселина се разлагат и се трансформират в неразтворими карбонати:

Ca + 2HCO3 = H2O + CO2 + CaCO3v

Разтворимостта на калциев сулфат CaSO4 също намалява при нагряване, поради което той е включен в скалата.

Твърдостта, причинена от наличието на калциеви и магнезиеви бикарбонати във водата, се нарича карбонатна или временна, тъй като се елиминира чрез кипене. В допълнение към карбонатната твърдост се различава и некарбонатната твърдост, която зависи от съдържанието на калциеви и магнезиеви сулфати и хлориди във водата. Тези соли не се отстраняват чрез кипене и поради това некарбонатната твърдост се нарича още постоянна твърдост. Карбонатната и некарбонатната твърдост се добавят към общата твърдост.

За да се премахне напълно твърдостта, водата понякога се дестилира. За да се премахне карбонатната твърдост, водата се кипва. Общата твърдост се елиминира или чрез добавяне на химикали, или с помощта на така наречените катионообменници. Когато се използва химически метод, разтворимите калциеви и магнезиеви соли се превръщат в неразтворими карбонати, например се добавят варово мляко и сода:

Ca + 2HCO3 + Ca + 2OH = 2H2O + 2CaCO3v

Ca + SO4 + 2Na + CO3 = 2Na + SO4 + CaCO3v

Елиминирането на сковаността с катионообменници е по-съвършен процес. Катионитите са сложни вещества (естествени съединения на силиций и алуминий, високомолекулни органични съединения), чийто състав може да бъде изразен с формулата Na2R, където R е сложен киселинен остатък. Когато водата се филтрира през слой катионообменник, Na йони (катиони) се обменят за йони Ca и Mg:

Ca + Na2R = 2Na + CaR

Следователно Ca йони от разтвора преминават в катионообменника, а Na йоните преминават от катионообменника в разтвора. За да се възстанови използваният катионообменник, той се промива с разтвор на натриев хлорид. В този случай се получава обратният процес: Ca йони в катионообменника се заменят с Na йони:

2Na + 2Cl + CaR = Na2R + Ca + 2Cl

Регенерираният катионообменник може да се използва отново за пречистване на водата.

Под формата на чист метал Ca се използва като редуктор за U, Th, Cr, V, Zr, Cs, Rb и някои редки земни метали и техните съединения. Използва се също за дезоксидиране на стомани, бронзи и други сплави, за отстраняване на сяра от петролни продукти, за дехидратиране на органични течности, за пречистване на аргон от азотни примеси и като абсорбатор на газ в електровакуумни устройства. Антификтивните материали от системата Pb - Na - Ca, както и сплавите Pb - Ca, които се използват за производството на обвивки на електрически кабели, са широко използвани в технологиите. Сплав Ca - Si - Ca (силикокалций) се използва като дезоксидант и дегазатор при производството на висококачествени стомани.

Калцият е един от биогенните елементи, необходими за нормалния ход на живота. Той присъства във всички тъкани и течности на животни и растения. Само редки организми могат да се развият в среда без Ca. В някои организми съдържанието на Са достига 38%: при хората - 1,4 - 2%. Клетките от растителни и животински организми изискват строго определени съотношения на йони Ca, Na и K в извънклетъчната среда. Растенията получават Ca от почвата. Според тяхното отношение към Са, растенията се разделят на калцефили и калцефоби. Животните получават Ca от храна и вода. Са е необходим за образуването на редица клетъчни структури, поддържане на нормална пропускливост на външните клетъчни мембрани, за оплождане на яйца от риби и други животни и активиране на редица ензими. Ca йони предават възбуждане на мускулното влакно, карайки го да се свива, увеличава силата на сърдечните контракции, увеличава фагоцитната функция на левкоцитите, активира системата на защитни кръвни протеини и участва в нейната коагулация. В клетките почти всички Са са под формата на съединения с протеини, нуклеинови киселини, фосфолипиди, в комплекси с неорганични фосфати и органични киселини. В кръвната плазма на хората и висшите животни само 20-40% от Ca могат да бъдат свързани с протеини. При животни със скелет до 97 - 99% от всички Ca се използват като строителен материал: при безгръбначни, главно под формата на CaCO3 (черупки от мекотели, корали), при гръбначни, под формата на фосфати. Много безгръбначни съхраняват Ca преди линеене за изграждане на нов скелет или за осигуряване на жизненоважни функции при неблагоприятни условия. Съдържанието на Са в кръвта на хората и висшите животни се регулира от хормоните на паращитовидните и щитовидната жлеза. Витамин D играе важна роля в тези процеси.Абсорбцията на Са се появява в предната част на тънките черва. Абсорбцията на Са се влошава с намаляване на киселинността в червата и зависи от съотношението на Са, фосфор и мазнини в храната. Оптималните съотношения Ca / P в кравето мляко са около 1,3 (0,15 в картофи, 0,13 в боб, 0,016 в месо). С излишък на Р и оксалова киселина в храната, абсорбцията на Са се влошава. Жлъчните киселини ускоряват усвояването му. Оптималното съотношение на Ca / мазнина в човешката храна е 0,04 - 0,08 г. Ca на 1 g. дебел. Освобождаването на Са се случва главно през червата. Бозайниците губят много Ca в млякото по време на кърмене. С нарушения на фосфорно-калциевия метаболизъм при млади животни и деца се развива рахит, при възрастни животни - промени в състава и структурата на скелета (остеомалация).

В медицината Ca препаратите премахват нарушения, свързани с липса на Ca йони в организма (с тетания, спазмофилия, рахит). Препаратите Ca намаляват свръхчувствителността към алергени и се използват за лечение на алергични заболявания (серумна болест, сънна треска и др.). Ca препаратите намаляват повишената съдова пропускливост и имат противовъзпалителен ефект. Използват се при хеморагичен васкулит, лъчева болест, възпалителни процеси (пневмония, плеврит и др.) И някои кожни заболявания. Предписва се като средство за спиране на кръвта, за подобряване на дейността на сърдечния мускул и засилване на действието на дигиталисови лекарства, като антидот при отравяне с магнезиеви соли. Заедно с други лекарства, Ca препаратите се използват за стимулиране на раждането. Са хлоридът се прилага през устата и интравенозно. Ossocalcinol (15% стерилна суспензия от специално приготвен костен прах в прасковено масло) се предлага за тъканна терапия.

Препаратите Ca включват също гипс (CaSO4), който се използва в хирургията за гипсови отливки, и креда (CaCO3), която се прилага през устата с повишена киселинност на стомашния сок и за приготвяне на зъбен прах.