Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Кальций - двадцатый элемент Периодической таблицы. Обозначение - Ca от латинского «calcium». Расположен в четвертом периоде, IIА группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 20.

Кальций принадлежит к числу самых распространенных в природе элементов. В земной коре его содержится приблизительно 3% (масс.). Он встречается в виде многочисленных отложений известняков и мела, а также мрамора, которые представляют собой природные разновидности карбоната кальция CaCO 3 . В больших количествах встречаются также гипс CaSO 4 ×2H 2 O, фосфорит Ca 3 (PO 4) 2 и, наконец, различные содержащие кальций силикаты.

В виде простого вещества кальций представляет собой ковкий, довольно твердый металл белого цвета (рис.1). На воздухе быстро покрывается слоем оксида, а при нагревании сгорает ярким красноватым пламенем. С холодной водой кальций реагирует сравнительно медленно, но из горячей воды быстро вытесняет водород, образуя гидроксид.

Рис. 1. Кальций. Внешний вид.

Атомная и молекулярная масса кальция

Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Поскольку в свободном состоянии кальций существует в виде одноатомных молекул Ca, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 40,078.

Изотопы кальция

Известно, что в природе кальций может находиться в виде четырех стабильных изотопов 40 Ca, 42 Ca, 43 Ca, 44 Ca, 46 Ca и 48 Ca, с явным преобладанием изотопа 40 Ca (99,97%). Их массовые числа равны 40, 42, 43, 44, 46 и 48 соответственно. Ядро атома изотопа кальция 40 Ca содержит двадцать протонов и двадцать нейтронов, а остальные изотопы отличаются от него только числом нейтронов.

Существуют искусственные изотопы кальция с массовыми числами от 34-х до 57-ми, среди которых наиболее стабильным является 41 Ca с периодом полураспада равным 102 тысячи лет.

Ионы кальция

На внешнем энергетическом уровне атома кальция имеется два электрона, которые являются валентными:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 .

В результате химического взаимодействия кальций отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:

Ca 0 -2e → Ca 2+ .

Молекула и атом кальция

В свободном состоянии кальций существует в виде одноатомных молекул Ca. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу кальция:

Сплавы кальция

Кальций служит легирующим компонентом некоторых свинцовых сплавов.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Соединения кальция известны с древних времен, однако до 17 в. об их природе ничего не знали. Египетские строительные растворы, которые использовались в пирамидах Гизы, были основаны на частично обезвоженном гипсе CaSO 4 ·2H 2 O. Он же является основой всей штукатурки в гробнице Тутанхамона. Римляне использовали строительный раствор из песка и извести (полученной при нагревании известняка CaCO 3): во влажном климате Италии он был более устойчив.

Название элемента – от латинского calx, calcis – известь («мягкий камень»). Оно было предложено Г.Дэви в 1808, выделившим металлический кальций электролитическим методом. Дэви смешивал влажную кальциевую «землю» (оксид кальция CaO) с оксидом ртути HgO на платиновой пластине, которая являлась анодом. Катодом служила платиновая проволока, погруженная в жидкую ртуть. В результате электролиза получалась амальгама металла, который можно было получить в чистом виде, испарив ртуть.

Кальций является пятым из наиболее распространенных в земной коре элементом и третьим по распространенности металлом (после алюминия и железа). На долю кальция приходится около 1,5% от общего числа атомов земной коры. Во многих частях поверхности Земли имеются значительные осадочные залежи карбоната кальция, которые образовались из остатков древних морских организмов. В них это соединение находится, в основном, в виде минералов двух типов. Чаще встречается ромбоэдрический кальцит, в теплых морях образуется орторомбический арагонит. Представителями минералов первого типа является сам кальцит, а также доломит, мрамор, мел и исландский шпат. Громадными пластами карбоната кальция в виде арагонита образованы Багамы, о-ва Флорида-Кис и бассейн Красного моря. Другие важные минералы – гипс CaSO 4 ·2H 2 O, ангидрит CaSO 4 , флюорит CaF 2 и апатит Ca 5 (PO 4) 3 (Cl,OH,F). Значительное количество кальция находится в природных водах в виде гидрокарбоната (см . ХИМИЯ ГИДРОСФЕРЫ). Кальций содержится и в организмах многих животных. Гидроксоапатит Ca 5 (PO 4) 3 (OH) является основой костной ткани позвоночных. Из карбоната кальция, в основном, состоят кораллы, раковины моллюсков, жемчуг, яичная скорлупа.

Металлический кальций получают электролизом расплавленного хлорида кальция, который является побочным продуктом в процессе Сольве или образуется в реакции между соляной кислотой и карбонатом кальция.

Сравнительно мягкий блестящий металл имеет бледно-желтую окраску. Он химически менее активен, чем другие щелочноземельные металлы, так как на воздухе покрывается защитной оксидно-нитридной пленкой. Его даже можно обрабатывать на токарном станке.

Кальций активно реагирует с неметаллами. При нагревании в кислороде и на воздухе воспламеняется. С водой кальций реагирует с выделением водорода и образованием гидроксида кальция. Он растворяется в жидком аммиаке с образованием темно-синих растворов, из которых при выпаривании можно получить блестящий аммиакат медного цвета Са(NH 3) 6 .

Металлический кальций используется, главным образом, как легирующая добавка. Так, введение кальция повышает прочность алюминиевых подшипников. С помощью кальция регулируют содержание углерода в чугуне и удаляют висмут из свинца. Он используется для очистки стали от кислорода, серы и фосфора. Его применяют и для поглощения кислорода и азота, в частности, для удаления примесей азота из технического аргона. Он служит восстановителем при производстве других металлов, таких как хром, цирконий, торий и уран. Например, металлический цирконий можно получить из его диоксида: ZrO 2 + 2Ca = Zr + 2CaO. Кальций также непосредственно реагирует с водородом с образованием гидрида кальция СаН 2 , который является удобным источником водорода.

Наиболее важным галогенидом кальция является фторид CaF 2 , так как в виде минерала (флюорит) он является единственным промышленно важным источником фтора. Белый тугоплавкий фторид кальция мало растворим в воде, что используется в количественном анализе.

Хлорид кальция CaCl 2 также имеет большое значение. Он является компонентом рассолов для холодильных установок и для заполнения шин тракторов и другого транспорта. С помощью хлорида кальция удаляют снег и лед с дорог и тротуаров. Эвтектическая смесь CaCl 2 –H 2 O, содержащая 30 масс. % CaCl 2, плавится при –55° С. Эта температура существенно ниже, чем в случае смеси хлорида натрия с водой, для которой минимальная температура плавления составляет –18° С. Хлорид кальция применяется и для защиты угля и руды от замерзания при транспортировке и хранении. Его используют в бетонных смесях для ускорения начала схватывания, повышения начальной и конечной прочности бетона. Хлорид кальция является отходом многих химико-технологических процессов, в частности, крупнотоннажного производства соды. Однако потребление хлорида кальция значительно уступает его производству, поэтому около содовых заводов образовались целые озера, наполненные рассолом CaCl 2 . Такие пруды-накопители можно видеть, например, в Донбассе.

Наиболее широкое применение из соединений кальция имеют карбонат, оксид и гидроксид. Самая распространенная форма карбоната кальция – известняк. Смешанный карбонат кальция и магния носит название доломит. Известняк и доломит используются в качестве строительных материалов, дорожных покрытий, реагентов, понижающих кислотность почвы. Их добывают во всем мире в огромных количествах. Карбонат кальция CaCO 3 является также важнейшим промышленным реагентом, который необходим для получения оксида кальция (негашеной извести) CaO и гидроксида кальция (гашеной извести) Ca(OH) 2 .

Оксид и гидроксид кальция являются ключевыми веществами во многих областях химической, металлургической и машиностроительной промышленности. Известь СаО производится в огромных количествах во многих странах и входит в десятку химических веществ с максимальным объемом производства.

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 (см . ОЧИСТКА ВОДЫ)

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. СаСО 3 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 CaSO 4 ·2H 2 O, напоминающая мрамор. Если гипс прокалить при 150–165 °С, он теряет примерно 2/3 кристаллизационной воды и образует полугидрат CaSO 4 ·0,5H 2 O, 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%.

Для кальция не очень характерно образование комплексных соединений. Кислородсодержащие комплексы, например, с ЭДТА или полифосфатами, имеют большое значение в аналитической химии и для удаления ионов кальция из жесткой воды.

Кальций относится к числу макроэлементов. Его содержание в организме взрослого человека (в расчете на массу 65 кг) составляет 1,3 кг. Он необходим для формирования костей и зубов, поддержания сердечного ритма и свертывания крови. Основным источником поступления кальция в организм служат молоко и молочные продукты. Суточная потребность составляет 0,8 г в сутки. Всасыванию катионов кальция способствуют молочная и лимонная кислоты, в то время как фосфат-ион, оксалат-ион и фитиновая кислота затрудняют всасывание кальция из-за образования комплексов и малорастворимых солей. В организме есть сложная система хранения и высвобождения кальция.

Использование кальция в качестве строительного материала костей и зубов связано с тем, что ионы кальция не используются в клетке. Концентрацию кальция контролируют особые гормоны, их совместное действие сохраняет и поддерживает структуру костей.

Предполагается, что ионы кальция, связываясь с мембраной нерва, влияют на ее проницаемость для других катионов. Очевидно, он замещает ионы магния и тем самым активирует некоторые ферменты. Поступление ионов кальция может быть сопряжено с внесением фосфата, который поэтому называют переносчиком кальция.

Установлено, что регулятором ионов кальция в различных типах мышц является саркоплазматический ретикулум (СР). Ионы кальция накапливаются в кальциесвязывающих белках, например в кальсеквестрине. Последний связывает примерно 43 иона Са 2+ на моль белка. Мышечное сокращение связано с освобождением ионов кальция из СР и его связыванием на активных центрах мышечных волокон. Концентрация ионов кальция в саркоплазме за несколько миллисекунд повышается в 100 раз. Вынужденное истечение ионов Са 2+ из СР происходит очень быстро. Непосредственно после освобождения ионов кальция СР начинает накачивать их обратно. Сокращение мышц возникает в результате появления нервного импульса в двигательном нерве, оканчивающемся в мышечном волокне, что вызывает высвобождение ионов кальция из его запасов.

Механизм свертывания крови представляет собой каскадный процесс, многие этапы которого зависят от присутствия ионов кальция, которые активируют соответствующие ферменты.

Накопление кальция является характерной особенностью роста костей зубов, раковин и других подобных структур. С другой стороны, повышение содержания кальция в нетипичных участках приводит к образованию камней, остеоартриту, катарактам и артериальным нарушениям.

Елена Савинкина

Кальций

КА́ЛЬЦИЙ -я; м. [от лат. calx (calcis) - известь] Химический элемент (Ca), металл серебристо-белого цвета, входящий в состав известняков, мрамора и др.

◁ Ка́льциевый, -ая, -ое. К-ые соли.

(лат. Calcium), химическая элемент II группы периодической системы, относится к щёлочноземельным металлам. Название от лат. calx, родительный падеж calcis - известь. Серебристо-белый металл, плотность 1,54 г/см 3 , t пл 842ºC. При обычной температуре легко окисляется на воздухе. По распространённости в земной коре занимает 5-е место (минералы кальцит, гипс, флюорит и др.). Как активный восстановитель служит для получения U, Th, V, Cr, Zn, Be и других металлов из их соединений, для раскисления сталей, бронз и т. д. Входит в состав антифрикционных материалов. Соединения калькия применяют в строительстве (известь, цемент), препараты кальция - в медицине.

КА́ЛЬЦИЙ (лат. Calcium), Ca (читается «кальций»), химический элемент с атомным номером 20, расположен в четвертом периоде в группе IIА периодической системы элементов Менделеева; атомная масса 40,08. Относится к числу щелочноземельных элементов (см. ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНЫЕ МЕТАЛЛЫ) .
Природный кальций состоит из смеси нуклидов (см. НУКЛИД) с массовыми числами 40 (в смеси по массе 96,94 %), 44 (2,09%), 42 (0,667%), 48 (0,187%), 43 (0,135%) и 46 (0,003%). Конфигурация внешнего электронного слоя 4s 2 . Практически во всех соединениях степень окисления кальция +2 (валентность II).
Радиус нейтрального атома кальция 0,1974 нм, радиус иона Cа 2+ от 0,114 нм (для координационного числа 6) до 0,148 нм (для координационного числа 12). Энергии последовательной ионизации нейтрального атома кальция равны, соответственно, 6,133, 11,872, 50,91, 67,27 и 84,5 эВ. По шкале Полинга электроотрицательность кальция около 1,0. В свободном виде кальций - серебристо-белый металл.
История открытия
Соединения кальция встречаются в природе повсеместно, поэтому человечество знакомо с ними с древнейших времен. Издавна в строительном деле находила применение известь (см. ИЗВЕСТЬ) (негашеная и гашеная), которую долгое время считали простым веществом, «землей». Однако в 1808 английский ученый Г. Дэви (см. ДЭВИ Гемфри) сумел получить из извести новый металл. Для этого Дэви подверг электролизу смесь слегка увлажненной гашеной извести с окисью ртути и выделил из образующейся на ртутном катоде амальгамы новый металл, который он назвал кальцием (от лат. calx, род. падеж calcis - известь). В России некоторое время этот металл называли «известковием».
Нахождение в природе
Кальций - один из наиболее распространенных на Земле элементов. На его долю приходится 3,38% массы земной коры (5-е место по распространенности после кислорода, кремния, алюминия и железа). Из-за высокой химической активности кальций в свободном виде в природе не встречается. Большая часть кальция содержится в составе силикатов (см. СИЛИКАТЫ) и алюмосиликатов (см. АЛЮМОСИЛИКАТЫ) различных горных пород (граниты (см. ГРАНИТ) , гнейсы (см. ГНЕЙС) и т. п.). В виде осадочных пород соединения кальция представлены мелом и известняками, состоящими в основном из минерала кальцита (см. КАЛЬЦИТ) (CaCO 3). Кристаллическая форма кальцита - мрамор - встречается в природе гораздо реже.
Довольно широко распространены такие минералы кальция, как известняк (см. ИЗВЕСТНЯК) СaCO 3 , ангидрит (см. АНГИДРИТ) CaSO 4 и гипс (см. ГИПС) CaSO 4 ·2H 2 O, флюорит (см. ФЛЮОРИТ) CaF 2 , апатиты (см. АПАТИТЫ) Ca 5 (PO 4) 3 (F,Cl,OH), доломит (см. ДОЛОМИТ) MgCO 3 ·СaCO 3 . Присутствием солей кальция и магния в природной воде определяется ее жесткость (см. ЖЕСТКОСТЬ ВОДЫ) . Значительное количество кальция входит в состав живых организмов. Так, гидроксилапатит Ca 5 (PO 4) 3 (OH), или, в другой записи, 3Ca 3 (PO 4) 2 ·Са(OH) 2 - основа костной ткани позвоночных, в том числе и человека; из карбоната кальция CaCO 3 состоят раковины и панцири многих беспозвоночных, яичная скорлупа и др.
Получение
Металлический кальций получают электролизом расплава, состоящего из CaCl 2 (75-80%) и KCl или из CaCl 2 и CaF 2 , а также алюминотермическим восстановлением CaO при 1170-1200 °C:
4CaO + 2Al = CaAl 2 O 4 + 3Ca.
Физические и химические свойства
Металл кальций существует в двух аллотропных модификациях (см. Аллотропия (см. АЛЛОТРОПИЯ) ). До 443 °C устойчив a-Ca с кубической гранецентрированной решеткой (параметр а = 0,558 нм), выше устойчив b-Ca с кубической объемно центрированной решеткой типа a-Fe (параметр a = 0,448 нм). Температура плавления кальция 839 °C, температура кипения 1484 °C, плотность 1,55 г/см 3 .
Химическая активность кальция высока, но ниже, чем всех других щелочноземельных 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 щелочноземельные металлы, в плотно закрытой банке под слоем керосина.
В ряду стандартных потенциалов кальций расположен слева от водорода. Стандартный электродный потенциал пары Ca 2+ /Ca 0 –2,84 В, так что кальций активно реагирует с водой:
Ca + 2Н 2 О = Ca(ОН) 2 + Н 2 .
С активными неметаллами (кислородом, хлором, бромом) кальций реагирует при обычных условиях:
2Са + О 2 = 2СаО; Са + Br 2 = CaBr 2 .
При нагревании на воздухе или в кислороде кальций воспламеняется. С менее активными неметаллами (водородом, бором, углеродом, кремнием, азотом, фосфором и другими) кальций вступает во взаимодействие при нагревании, например:
Са + Н 2 = СаН 2 (гидрид кальция),
Ca + 6B = CaB 6 (борид кальция),
3Ca + N 2 = Ca 3 N 2 (нитрид кальция)
Са + 2С = СаС 2 (карбид кальция)
3Са + 2Р = Са 3 Р 2 (фосфид кальция), известны также фосфиды кальция составов СаР и СаР 5 ;
2Ca + Si = Ca 2 Si (силицид кальция), известны также силициды кальция составов CaSi, Ca 3 Si 4 и CaSi 2 .
Протекание указанных выше реакций, как правило, сопровождается выделением большого количества теплоты (т. е. эти реакции - экзотермические). Во всех соединениях с неметаллами степень окисления кальция +2. Большинство из соединений кальция с неметаллами легко разлагается водой, например:
СаН 2 + 2Н 2 О = Са(ОН) 2 + 2Н 2 ,
Ca 3 N 2 + 3Н 2 О = 3Са(ОН) 2 + 2NН 3 .
Оксид кальция - типично основной. В лаборатории и технике его получают термическим разложением карбонатов:
CaCO 3 = CaO + CO 2 .
Технический оксид кальция СаО называется негашеной известью.
Он реагирует с водой с образованием Ca(ОН) 2 и выделением большого количества теплоты:
CaО + Н 2 О = Ca(ОН) 2 .
Полученный таким способом Ca(ОН) 2 обычно называют гашеной известью или известковым молоком (см. ИЗВЕСТКОВОЕ МОЛОКО) из-за того, что растворимость гидроксида кальция в воде невелика (0,02 моль/л при 20°C), и при внесении его в воду образуется белая суспензия.
При взаимодействии с кислотными оксидами CaO образует соли, например:
CaО +СО 2 = СаСО 3 ; СаО + SO 3 = CaSO 4 .
Ион Ca 2+ бесцветен. При внесении в пламя солей кальция пламя окрашивается в кирпично-красный цвет.
Такие соли кальция, как хлорид CaCl 2 , бромид CaBr 2 , иодид CaI 2 и нитрат Ca(NO 3) 2 , хорошо растворимы в воде. Нерастворимы в воде фторид CaF 2 , карбонат CaCO 3 , сульфат CaSO 4 , средний ортофосфат Ca 3 (PO 4) 2 , оксалат СаС 2 О 4 и некоторые другие.
Важное значение имеет то обстоятельство, что в отличие от среднего карбоната кальция СаСО 3 кислый карбонат кальция (гидрокарбонат) Са(НСО 3) 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:
СаСО 3 + СО 2 + Н 2 О = Са(НСО 3) 2 .
В тех же местах, где вода, насыщенная гидрокарбонатом кальция, выходит на поверхность земли и нагревается солнечными лучами, протекает обратная реакция:
Са(НСО 3) 2 = СаСО 3 + СО 2 + Н 2 О.
Так в природе происходит перенос больших масс веществ. В результате под землей могут образоваться огромные провалы (см. Карст (см. КАРСТ (явление природы)) ), а в пещерах образуются красивые каменные «сосульки» - сталактиты (см. СТАЛАКТИТЫ (минеральные образования)) и сталагмиты (см. СТАЛАГМИТЫ) .
Наличие в воде растворенного гидрокарбоната кальция во многом определяет временную жесткость воды (см. ЖЕСТКОСТЬ ВОДЫ) . Временной ее называют потому, что при кипячении воды гидрокарбонат разлагается, и в осадок выпадает СаСО 3 . Это явление приводит, например, к тому, что в чайнике со временем образуется накипь.
Применение кальция и его соединений
Металлический кальций применяют для металлотермического получения урана (см. УРАН (химический элемент)) , тория (см. ТОРИЙ) , титана (см. ТИТАН (химический элемент)) , циркония (см. ЦИРКОНИЙ) , цезия (см. ЦЕЗИЙ) и рубидия (см. РУБИДИЙ) .
Природные соединения кальция широко используют в производстве вяжущих материалов (цемент (см. ЦЕМЕНТ) , гипс (см. ГИПС) , известь и др.). Связывающее действие гашеной извести основано на том, что с течением времени гидроксид кальция реагирует с углекислым газом воздуха. В результате протекающей реакции образуются игольчатые кристаллы кальцита СаСО з, которые прорастают в расположенные рядом камни, кирпичи, другие строительные материалы и как бы сваривают их в единое целое. Кристаллический карбонат кальция - мрамор - прекрасный отделочный материал. Мел используют для побелки. Большие количества известняка расходуются при производстве чугуна, так как позволяют перевести тугоплавкие примеси железной руды (например, кварц SiO 2) в сравнительно легкоплавкие шлаки.
В качестве дезинфицирующего средства очень эффективна хлорная известь (см. ХЛОРНАЯ ИЗВЕСТЬ) - «хлорка» Ca(OCl)Cl - смешанный хлорид и гипохлорид кальция (см. КАЛЬЦИЯ ГИПОХЛОРИТ) , обладающий высокой окислительной способностью.
Широко применяется и сульфат кальция, существующий как в виде безводного соединения, так и в виде кристаллогидратов - так называемого «полуводного» сульфата - алебастра (см. АЛЕВИЗ ФРЯЗИН (Миланец)) CaSO 4 ·0,5H 2 O и двухводного сульфата - гипса CaSO 4 ·2H 2 O. Гипс широко используют в строительстве, в скульптуре, для изготовления лепнины и различных художественных изделий. Применяют гипс и в медицине для фиксации костей при переломах.
Хлорид кальция CaCl 2 используют наряду с поваренной солью для борьбы с оледенением дорожных покрытий. Фторид кальция СаF 2 - прекрасный оптический материал.
Кальций в организме
Кальций - биогенный элемент (см. БИОГЕННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ) , постоянно присутствующий в тканях растений и животных. Важный компонент минерального обмена животных и человека и минерального питания растений, кальций выполняет в организме разнообразные функции. В составе апатита (см. АПАТИТ) , а также сульфата и карбоната кальций образует минеральный компонент костной ткани. В организме человека массой 70 кг содержится около 1 кг кальция. Кальций участвует в работе ионных каналов (см. ИОННЫЕ КАНАЛЫ) , осуществляющих транспорт веществ через биологические мембраны, в передаче нервного импульса (см. НЕРВНЫЙ ИМПУЛЬС) , в процессах свертывания крови (см. СВЕРТЫВАНИЕ КРОВИ) и оплодотворения. Регулируют обмен кальция в организме кальциферолы (см. КАЛЬЦИФЕРОЛЫ) (витамин D). Недостаток или избыток кальция приводит к различным заболеваниям - рахиту (см. РАХИТ) , кальцинозу (см. КАЛЬЦИНОЗ) и др. Поэтому пища человека должна в нужных количествах содержать соединения кальция (800-1500 мг кальция в сутки). Содержание кальция высоко в молочных продуктах (таких, как творог, сыр, молоко), в некоторых овощах и других продуктах питания. Препараты кальция широко используются в медицине.

Энциклопедический словарь . 2009 .

Введение

Свойства и применение кальция

1 Физические свойства

2 Химические свойства

3 Применение

Получение кальция

1 Электролитическое получение кальция и его сплавов

2 Термическое получение

3 Вакуум-термический способ получения кальция

3.1 Алюминотермический способ восстановления кальция

3.2 Силикотермический способ восстановления кальция

Практическая часть

Список используемой литературы

Введение

Химический элемент II группы периодической системы Менделеева, атомный номер 20, атомная масса 40,08; серебряно-белый легкий металл. Природный элемент представляет смесь шести стабильных изотопов: 40Ca, 42Ca, 43Ca, 44Ca, 46Ca и 48Ca, из которых наиболее распространен 40Ca (96, 97%).

Соединения Ca - известняк, мрамор, гипс (а также известь - продукт обжига известняка) уже в глубокой древности применялись в строительном деле. Вплоть до конца 18 века химики считали известь простым телом. В 1789 году А. Лавуазье предположил, что известь, магнезия, барит, глинозем и кремнезем - вещества сложные. В 1808 году Г. Дэви, подвергая электролизу с ртутным катодом смесь влажной гашеной извести с оксидом ртути, приготовил амальгаму Ca, а отогнав из нее ртуть, получил металл, названный "Кальций" (от лат. calx, род. падеж calcis - известь).

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 используют и в металлургии меди, никеля, специальных сталей и бронз; им связывают вредные примеси серы, фосфора, избыточного углерода. В тех же целях применяют сплавы кальция с кремнием, литием, натрием, бором, алюминием.

В промышленности кальций получают двумя способами:

) Нагреванием брикетированной смеси СаО и порошка Аl при 1200 °С в вакууме 0,01 - 0,02 мм. рт. ст.; выделяющиеся по реакции:

СаО + 2Аl = 3CaO · Al2O3 + 3Ca

Пары кальция кондонсируются на холодной поверхности.

) Электролизом расплава СаСl2 и КСl с жидким медно-кальциевым катодом приготовляют сплав Сu - Ca (65% Ca), из которого кальций отгоняют при температуре 950 - 1000 °С в вакууме 0,1 - 0,001 мм.рт.ст.

) Разработан также способ получения кальция термической диссоциацией карбида кальция СаС2.

Кальций весьма распространен в природе в форме различных соединений. В земной коре он занимает пятое место, составляя 3,25 %, и чаще всего встречается в виде известняка CaCO3, доломита CaCO3· Mg CO3, гипса CaSO4· 2H2O, фосфорита Ca3(PO4)2 и плавикового шпата CaF2, не считая значительной доли кальция в составе силикатных пород. В морской воде содержится в среднем 0,04% (вес.) кальция.

В данной курсовой работе изучены свойства и применение кальция, а так же подробно рассмотрена теория и технологии вакуум-термических способов его получения.

. Свойства и применение кальция

.1 Физические свойства

Кальций - серебристо-белый металл, но на воздухе тускнеет из-за образования оксида на его поверхности. Это пластичный металл тверже свинца. Кристаллическая решетка ?-формы Ca (устойчивой при обычной температуре) гранецентрированная кубическая, а = 5,56Å. Атомный радиус 1,97Å, ионный радиус Ca2+, 1,04Å. Плотность 1,54 г/см3(20 °C). Выше 464 °C устойчива гексагональная ?-форма. tпл 851 °C, tкип 1482 °C; температурный коэффициент линейного расширения 22·10-6 (0-300 °C); теплопроводность при 20 °C 125,6 Вт/(м·К) или 0,3 кал/(см·сек·°C); удельная теплоемкость (0-100 °C) 623,9 дж/(кг·К) или 0,149 кал/(г·°C); удельное электросопротивление при 20 °C 4,6·10-8 ом·м или 4,6·10-6 ом·см; температурный коэффициент электросопротивления 4,57·10-3 (20 °C). Модуль упругости 26 Гн/м2 (2600 кгс/мм2); предел прочности при растяжении 60 Мн/м2 (6 кгс/мм2); предел упругости 4 Мн/м2 (0,4 кгс/мм2), предел текучести 38 Мн/м2 (3,8 кгс/мм2); относительное удлинение 50%; твердость по Бринеллю 200-300 Мн/м2 (20-30 кгс/мм2). Кальций достаточно высокой чистоты пластичен, хорошо прессуется, прокатывается и поддается обработке резанием .

1.2 Химические свойства

Кальций - активный металл. Так при обычных условиях он легко взаимодействует с кислородом воздуха и галогенами:

Са + О2 = 2 СаО (оксид кальция) (1)

Са + Вr2 = СаВr2 (бромид кальция). (2)

С водородом, азотом, серой, фосфором, углеродом и другими неметаллами кальций реагирует при нагревании:

Са + Н2 = СаН2 (гидрид кальция) (3)

Са + N2 = Са3N2 (нитрид кальция) (4)

Са + S = СаS (сульфид кальция) (5)

Са + 2 Р = Са3Р2 (фосфид кальция) (6)

Са + 2 С = СаС2 (карбид кальция) (7)

С холодной водой кальций взаимодействует медленно, а с горячей - очень энергично, давая сильное основание Са(ОН)2:

Са + 2 Н2О = Са(ОН)2 + Н2 (8)

Будучи энергичным восстановителем, кальций может отнимать кислород или галогены от оксидов и галогенидов менее активных металлов, т. е. обладает восстановительными свойствами:

Са + Nb2О5 = СаО + 2 Nb; (9)

Са + 2 NbСl5 = 5 СаСl2 + 2 Nb (10)

Кальций энергично взаимодействует с кислотами с выделением водорода, реагирует с галогенами, с сухим водородом с образованием гидрида СаН2. При нагревании Кальций с графитом образуется карбид СаС2. Кальций получают электролизом расплавленного CaCl2 или алюминотермическим восстановлением в вакууме:

6СаО + 2Al = 3Ca + 3CaO·Al2О3 (11)

Чистый металл используют для восстановления соединений Cs, Rb, Cr, V, Zr, Th, U до металлов, для раскисления сталей .

1.3 Применение

Кальций находит все возрастающее.применение в различных отраслях производства. В последнее время он приобрел большое значение как восстановитель при получении ряда металлов.

Чистый металлический. уран получается восстановлением металлическим кальцием фтористого урана. Кальцием или его гидридами можно восстанавливать окислы титана, а также окислы циркония, тория, тантала, ниобия, других редких металлов.

Кальций является хорошим раскислителем и дегазатором при получении меди, никеля, хромоникелевых сплавов, специальных сталей, никелевых и оловянистых бронз; он удаляет из металлов и сплавов серу, фосфор, углерод.

Кальций образует с висмутом тугоплавкие соединения, поэтому его применяют для очистки свинца от висмута.

Кальций добавляют в различные легкие сплавы. Он способствует улучшению поверхности слитков, мелкозернистости и понижению окисляемости.

Большое распространение имеют содержащие кальций подшипниковые сплавы. Свинцовые сплавы (0,04 % Са) могут применяться для изготовления оболочек кабеля .

В технике применяются антифрикционные сплавы Кальция со свинцом. Широко применяются минералы Кальция. Так, известняк используют в производстве извести, цемента, силикатного кирпича и непосредственно как строительный материал, в металлургии (флюс), в химической промышленности для производства карбида кальция, соды, едкого натра, хлорной извести, удобрений, в производстве сахара, стекла.

Практическое значение имеют мел, мрамор, исландский шпат, гипс, флуорит и др. . Благодаря способности связывать кислород и азот кальций или сплавы кальция с натрием и другими металлами применяют для очистки благородных газов и как геттер в вакуумной радиоаппаратуре. Кальций так же применяется для получения гидрида, который является источником водорода в полевых условиях .

2. Получение кальция

Существует несколько способов получения кальция, это электролитическое, термическое, вакуум-термическое.

.1 Электролитическое получение кальция и его сплавов

Сущность метода заключается в том, что катод первоначально касается расплавленного электролита. В месте соприкосновения образуется хорошо смачивающая катод жидкая капля металла, которая при медленном и равномерном поднятии катода выводится вместе с ним из расплава и застывает. При этом застывающая капля покрывается твердой пленкой электролита, защищающий металл от окисления и азотирования. Путем непрерывного и осторожного подъема катода кальций вытягивается в стержни.

2.2 Термическое получение

кальций химический электролитический термический

·Хлоридный процесс: технология состоит из расплавления и обезвоживания хлористого кальция, расплавления свинца, получения двойного сплава свинец - натрий, получение тройного сплава свинец - натрий - кальций и разбавления тройного сплава свинцом после удаления солей. Реакция с хлористым кальцием протекает согласно уравнению

CaCl2 + Na2Pb5=2NaCl + PbCa + 2Pb (12)

·Карбидный процесс: в основе получения свинцово-кальциевого сплава лежит реакция между карбидом кальция и расплавленным свинцом согласно уравнению

CaC2 + 3Pb = Pb3Ca + 2C . (13)

2.3 Вакуум-термический способ получения кальция

Сырье для вакуум-термического способа

Сырьем для термического восстановления окиси кальция является известь, получаемая обжигом известняка. Основные требования к сырью заключаются в следующем: известь должна быть как можно чище и содержать минимум примесей, способных восстанавливаться и переходить в металл наряду с кальцием, особенно щелочных металлов и магния. Обжиг известняка должен производиться до полного разложения карбоната, однако не до его спекания, так как восстановимость спеченного материала ниже. Обожженный продукт необходимо предохранять от поглощения им влаги и углекислоты, выделение которых при восстановлении снижает показатели процесса. Технология обжига известняка и переработки обожженного продукта аналогична обработке доломита для силикотермического способа получения магния.

.3.1 Алюминотермический способ восстановления кальция

На диаграмме температурной зависимости изменения свободной энергии окисления ряда металлов (рис. 1) видно, что окись кальция является одним из наиболее прочных и трудно восстанавливаемых окислов. Она не может быть восстановлена другими металлами обычным путем - при относительно невысокой температуре и атмосферном давлении. Напротив, кальций сам является отличным восстановителем других трудно восстанавливаемых соединений и раскислителем для многих металлов и сплавов. Восстановление окиси кальция углеродом вообще невозможно вследствие образования карбидов кальция. Однако благодаря тому, что кальций обладает относительно высокой упругостью пара, его окись может быть восстановлена в вакууме алюминием, кремнием или их сплавами согласно реакции

CaO + Me ? Ca + MeO (14).

Практическое применение пока нашел только алюминотермический способ получения кальция, поскольку восстановить СаО алюминием значительно легче, чем кремнием. По вопросу химизма восстановления окиси кальция алюминием имеются разные взгляды. Л. Пиджен и И. Эткинсон полагают, что реакция протекает с образованием моноалюмината кальция:

СаО + 2Аl = СаО·Al2O3+ 3Са. (15)

В. А. Пазухин и А. Я. Фишер указывают, что процесс идет с образованием трехкальциевого алюмината:

СаО + 2Аl = 3СаО·Al2O3 + 3Са. (16)

По А. И. Войницкому , преобладающим в реакции является образование пятикальциевого трехалюмината:

СаО + 6Аl = 5СаО ·3Al2O3+ 9Са. (17)

Новейшими исследованиями, А. Ю. Тайца и А. И. Войницкого установлено, что алюминотермическое восстановление кальция протекает ступенчато. Вначале выделение кальция сопровождается образованием ЗСаО·AI2O3, который затем реагирует с окисью кальция и алюминием с образованием ЗСаО·3AI2O3. Реакция протекает по следующей схеме:

СаО + 6Аl = 2 (3СаО·Al2O3)+ 2СаО + 2Аl + 6Са

(3СаО·Al2O3) + 2СаО + 2Аl = 5СаО·3Al2O3+ 3Са

CaO+ 6А1 = 5СаО·3Al2O3+ 9Са

Так как восстановление окиси происходит с выделением парообразного кальция, а остальные продукты реакции находятся в конденсированном состоянии, удается легко отделить и сконденсировать его в охлаждаемых участках печи. Основными условиями, необходимыми для вакуум-термического восстановления окиси кальция, являются высокая температура и низкое остаточное давление в системе. Ниже приводится зависимость между температурой и равновесной упругостью паров кальция. Свободная энергия реакции (17), вычисленная для температур 1124-1728° К выражается

FT = 184820 + 6,95Т-12,1 T lg Т.

Отсюда логарифмическая зависимость равновесной упругости пара кальция (мм рт. ст.)

Lg p = 3,59 - 4430\Т.

Л. Пиджен и И. Эткинсон определили экспериментально равновесную упругость пара кальция. Обстоятельный термодинамический анализ реакции восстановления окиси кальция алюминием выполнен И. И. Матвеенко, который дал следующие температурные зависимости равновесного давления паров кальция:

Lg p Ca(1)=8,64 - 12930\T мм рт.ст.

Lg p Ca(2)=8,62 - 11780\Т мм рт.ст.

Lg p Ca(3)=8,75 - 12500\Т мм рт.ст.

Вычисленные и экспериментальные данные сопоставлены в табл. 1.

Таблица 1- Влияние температуры на изменение равновесной упругости паров кальция в системах (1), (2), (3), (3), мм рт.ст.

Температура °СОпытные данныеВычисленные в системах(1)(2)(3)(3)1401 1451 1500 1600 17000,791 1016 - - -0,37 0,55 1,2 3,9 11,01,7 3,2 5,6 18,2 492,7 3,5 4,4 6,6 9,50,66 1,4 2,5 8,5 25,7

Из приведенных данных видно, что в наиболее благоприятных условиях находятся взаимодействия в системах (2) и (3) или (3"). Это отвечает наблюдениям, так как в остатках шихты после восстановления окиси кальция алюминием преобладают пятикальциевый трехалюминат и трехкальциевый алюминат.

Данные о равновесной упругости показывают, что восстановление окиси кальция алюминием возможно при температуре 1100-1150° С. Для достижения практически приемлемой скорости реакции остаточное давление в системе Рост должно быть ниже равновесного Рравн, т. е. должно соблюдаться неравенство Рравн>Рост, и процесс должен проводиться при температурах порядка 1200°. Исследованиями установлено, что при температуре 1200-1250° достигается высокое использование (до 70-75%) и низкий удельный расход алюминия (около 0,6-0,65 кг на кг кальция).

Согласно приведенной выше трактовке химизма процесса, оптимальной по составу является шихта, рассчитанная на образование в остатке 5СаО·3Al2O3. Для повышения степени использования алюминия полезно давать некоторый избыток окиси кальция, однако не слишком большой (10-20%), иначе это отрицательно скажется на других показателях процесса. С увеличением степени измельчения алюминия от частиц 0,8-0,2 мм до минус 0,07 мм (по данным В. А. Пазухина и А. Я. Фишера) использование алюминия в реакции возрастает от 63,7 до 78%.

На использование алюминия влияет также режим брикетирования шихты. Смесь извести и порошкового алюминия следует брикетировать без связующих (чтобы избежать выделения газов в вакууме) при давлении 150 кг/см2. При меньших давлениях использование алюминия уменьшается вследствие ликвации расплавленного алюминия в излишне пористых брикетах, а при больших давлениях - из-за плохой газопроницаемости. Полнота и скорость восстановления также зависят от плотности укладки брикетов в реторте. При укладке их без зазоров, когда газопроницаемость всей садки мала, использование алюминия значительно снижается.

Рисунок 2 - Схема получения кальция вакуум-термическим способом.

Технология алюмино-термического способа

Технологическая схема производства кальция алюминотермическим способом изображена на рис. 2. В качестве исходного сырья применяется известняк, в качестве восстановителя - алюминиевый порошок, приготовленный из первичного (лучше) или вторичного алюминия. Применяемый в качестве восстановителя алюминий, так же как и сырье, не должен содержать примесей легко летучих металлов: магния, цинка, щелочей и др., способных испаряться и переходить в конденсат. Это необходимо учитывать при выборе марок вторичного алюминия.

По описанию С. Лумиса и П. Штауба, в США на заводе фирмы Нью Ингленд Лайм Ко в Ханаане (штат Коннектикут), получают кальций алюминотермическим способом. Применяется известь следующего типичного состава, %: 97,5 СаО, 0,65 MgO, 0,7SiO2, 0,6 Fe2Оз + АlОз, 0,09 Na2О + K2О, 0,5 остальное. Обожженный продукт размалывается на мельнице Раймонда с центробежным сепаратором, тонкость помола составляет (60%) минус 200 меш. В качестве восстановителя применяют алюминиевую пыль, являющуюся отходом при производстве алюминиевого порошка. Обожженная известь из закрытых бункеров и алюминий из барабанов поступают на дозировочные весы и затем в смеситель. После смешения шихта брикетируется сухим способом. На упомянутом заводе восстанавливают кальций в ретортных печах, ранее применявшихся для получения магния силикотермическим способом (рис. 3). Печи обогревают генераторным газом. Каждая печь имеет 20 горизонтальных реторт из жароупорной стали, содержащей 28% Сг и 15% Ni.

Рисунок 3- Ретортная печь для получения кальция

Длина реторты 3 м, диаметр 254 мм, толщина стенки 28 мм. Восстановление происходит в обогреваемой части реторты, а конденсация в охлаждаемом конце, выступающем из речи. Брикеты вводятся в реторту в бумажных мешках, затем вставляются конденсаторы и реторту закрывают. Откачка воздуха производится механическими вакуум-насосами вначале цикла. Затем подключают диффузионные насосы и остаточное давление снижается до 20 мк.

Реторты нагревают до 1200°. Через 12 час. после загрузки реторты открывают и разгружают. Полученный кальций имеет форму пустотелого цилиндра из плотной массы больших кристаллов, осажденных на поверхности стальной гильзы. Основной примесью в кальции является магний, который восстанавливается в первую очередь и в основном концентрируется в прилегающем к гильзе слое. В среднем содержание примесей составляет; 0,5- 1% Mg, около 0,2% Аl, 0,005-0,02% Мn, до 0,02% N, остальные примеси - Си, РЬ, Zn, Ni, Si, Fe - встречаются в пределах 0,005-0,04%. А. Ю. Тайц и А. И. Войницкий для получения кальция алюминотермическим способом применяли полузаводcкую электрическую вакуумную печь с угольными нагревателями и достигали степени использования алюминия 60%, удельного расхода алюминия 0,78 кг, удельного расхода шихты соответственно 4,35 кг и удельного расхода электроэнергии 14 квт\ч на 1 кг металла.

Полученный металл, за исключением примеси магния, отличался относительно высокой чистотой. В среднем содержание примесей в нем составляло: 0,003-0,004% Fe, 0,005-0,008% Si, 0,04-0,15% Mn, 0,0025-0,004% Сu, 0,006-0,009% N, 0,25% Al.

2.3.2 Силикотермический способ восстановления кальция

Весьма заманчивым является силикотермический способ; восстановитель - ферросилиций, реагент значительно более дешевый, чем алюминий. Однако силикотермический процесс труднее осуществить, чем алюминотермический. Восстановление окиси кальция кремнием протекает согласно уравнению

СаО + Si = 2СаО ·SiO2 + 2Са. (18)

Равновесная упругость пара кальция, вычисленная по величинам свободной энергии, составляет:

°С1300140015001600Р, мм рт. ст0,080,150,752,05

Следовательно, в вакууме порядка 0,01 мм рт. ст. восстановление окиси кальция термодинамически возможно при температуре 1300°. Практически для обеспечения приемлемой скорости процесс должен проводиться при температуре 1400-1500°.

Несколько легче идет реакция восстановления окиси кальция силикоалюминием, в которой восстановителями служат и алюминий и кремний сплава. Опытами установлено, что вначале преобладает восстановление алюминием; причем реакция протекает с конечным образованием бСаО·3Al2Оз по схеме, изложенной выше (рис. 1). Восстановление кремнием становится значительным при более высокой температуре, когда большая часть алюминия прореагировала; реакция протекает с образованием 2CaO·SiO2. В суммарном виде реакция восстановления окиси кальция силикоалюминием выражается следующим уравнением:

mSi + п Аl + (4m +2 ?) СаО = m(2СаО ·SiO2) + ?n(5СаО·Al2O3) + (2m +1, 5n) Са.

Исследованиями A. Ю. Тайца и A. И. Войницкого установлено, что окись кальция восстанавливается 75%-ным ферросилицием с выходом металла 50-75% при температуре 1400-1450° в вакууме 0,01-0,03 мм рт. ст.; силикоалюминий, содержащий 60-30% Si и 32-58% Аl (остальное железо, титан и пр.), восстанавливает окись кальция с выходом металла примерно 70% при температурах 1350-1400° в вакууме 0,01-0,05 мм рт. ст. Опытами в полузаводском масштабе доказана принципиальная возможность получения кальция на извести ферросилицием и силикоалюминием. Основной аппаратурной трудностью является подбор стойкой в условиях этого процесса футеровки.

При решении этой задачи способ может быть реализован в промышленности. Разложение карбида кальция Получение металлического кальция разложением карбида кальция

СаС2 = Са + 2С

следует отнести к перспективным способам. При этом в качестве второго продукта получают графит. В. Маудерли, Е. Мозер, И В. Тредвелл вычислив свободную энергию образования карбида кальция из термохимических данных, получили следующее выражение для упругости пара кальция над чистым карбидом кальция:

ca= 1,35 - 4505\Т (1124- 1712° К),

lgpca = 6,62 - 13523\Т(1712-2000° К).

По-видимому, технический карбид кальция разлагается при значительно более высоких температурах, чем это следует из данных выражений. Те же авторы сообщают о термическом разложении карбида кальция в компактных кусках при 1600-1800° в вакууме 1 мм рт. ст. Выход графита составил 94%, кальций получался в виде плотного налета на холодильнике. А. С. Микулинский, Ф. С. Мории, Р. Ш. Шкляр для определения свойств графита, полученного разложением карбида кальция, нагревали последний в вакууме 0,3-1 мм рт. ст. при температуре 1630-1750°. Полученный графит отличается от ачесоновского более крупными зернами, большей электропроводностью и меньшим объемным весом .

3. Практическая часть

Суточная выливка магния из электролизера на силу тока 100 кА составила 960 кг при питании ванны хлористым магнием. Напряжение на шутне электролизера 0,6 В. Определить:

)Выход по току на катоде;

)Количество хлора, полученного за сутки, при условии, что выход по току на аноде равен выходу по току на ктоде;

)Суточную заливку MgCl2 в электролизер при условии, что потери MgCl2 происходят в основном со шламом и возгоном. Количество шлама 0,1 на 1т Mg, содержащего MgCl2 в возгоне 50%. Количество возгона 0,05 т на 1т Mg. Состав заливаемого хлорида магния, %: 92 MgCl2 и 8 NaCl.

.Определить выход по току на катоде:

mпр=I·?·kMg·?

?=mпр\I·?· kMg=960000\100000·0,454·24=0,881 или 88,1%

.Определить количество Cl, полученного за сутки:

x=960000г \ 24 г\моль=40000 моль

Переводим в объем:

х=126785,7 м3

3.а) Находим чистый MgCl2, для производства 960 кг Mg.

x=95·960\24,3=3753 кг=37,53 т.

б) потери со шламом. Из состава магниевых электролизеров, %: 20-35 MgO, 2-5 Mg, 2-6 Fe, 2-4 SiO2, 0,8-2 TiO2, 0,4-1,0 C, 35 MgCl2 .

кг - 1000 кг

mшл=960 кг - масса шлама за сутки.

За сутки 96 кг шлама: 96·0,35 (MgCl2 со шламом).

в) потери с возгонами:

кг - 1000 кг

кг возгонов: 48·0,5=24 кг MgCl2 с возгонами.

Всего надо залить Mg:

33,6+24=3810,6 кг MgCl2 в сут.

Список используемой литературы

Основы металлургии III

<#"justify"> металлургия Al и Mg. Ветюков М.М., Цыплоков А.М.

Репетиторство

Нужна помощь по изучению какой-либы темы?

Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.

Уфимский Государственный Нефтяной Технический Университет

Кафедра «Общая и аналитическая химия»

на тему: «Элемент кальций. Свойства, получение, применение»

Подготовил студент группы БТС-11-01 Прокаев Г.Л.

Доцент Красько С.А.

Введение

История и происхождение названия

Нахождение в природе

Получение

Физические свойства

Химические свойства

Применение металлического кальция

Применение соединений кальция

Биологическая роль

Заключение

Список литературы

Введение

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.

Кальций называется щелочноземельным металлом, его относят к S - элементам. На внешнем электронном уровне у кальция два электрона, поэтому он даёт соединения: CaO, Ca(OH)2, CaCl2, CaSO4, CaCO3 и т.д. Кальций относится к типичным металлам - он имеет большое сродство к кислороду, восстанавливает почти все металлы из их окислов, образует довольно сильное основание Ca(OH)2.

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 не похож на щелочные металлы, общение с которыми чревато опасностью пожаров и ожогов. Его можно спокойно хранить на воздухе, он не воспламеняется от воды.

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.

История и происхождение названия

Название элемента происходит от лат. calx (в родительном падеже calcis) - «известь», «мягкий камень». Оно было предложено английским химиком Хэмфри Дэви, в 1808 г. 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 нее ртуть, Дэви получил металл, названный кальцием.

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.

Нахождение 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).

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 5,3×1019 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.

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+ + 2HCO3ˉ

(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).

Получение

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:

CaO + 2Al = CaAl2O4 + 3Ca.

Разработан также способ получения кальция термической диссоциацией карбида кальция CaC2

Физические свойства

Металл кальций существует в двух аллотропных модификациях. До 443°C устойчив α-Ca с кубической решеткой, выше устойчив β-Ca с кубической объемно-центрированной решеткой типа α-Fe. Стандартная энтальпия ΔH0 перехода α → β составляет 0,93 кДж/моль.

Кальций - лёгкий металл (d = 1,55), серебристо-белого цвета. Он более твёрд и плавится при более высокой температуре (851 °С) по сравнению с натрием, который расположен рядом с ним в периодической системе. Это объясняется тем, что на один ион кальция в металле приходится два электрона. Поэтому химическая связь между ионами и электронным газом у него более прочная, чем у натрия. При химических реакциях валентные электроны кальция переходят к атомам других элементов. При этом образуются двухзарядные ионы.

Химические свойства

Кальций - типичный щелочноземельный металл. Химическая активность кальция высока, но ниже, чем всех других щелочноземельных 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 щелочноземельные 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:

2Н2О = Ca(ОН)2 + Н2 + Q.

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

Са + О2 = 2СаО, Са + Br2 = CaBr2.

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

Са + Н2 = СаН2, Ca + 6B = CaB6,

Ca + N2 = Ca3N2, Са + 2С = СаС2,

Са + 2Р = Са3Р2 (фосфид кальция),

известны также фосфиды кальция составов СаР и СаР5;

Ca + Si = Ca2Si (силицид кальция),

известны также силициды кальция составов CaSi, Ca3Si4 и CaSi2.

Протекание указанных выше реакций, как правило, сопровождается выделением большого количества теплоты (то есть эти реакции - экзотермические). Во всех соединениях с неметаллами степень окисления кальция +2. Большинство из соединений кальция с неметаллами легко разлагается водой, например:

CaH2+ 2Н2О = Са(ОН)2 + 2Н2,N2 + 3Н2О = 3Са(ОН)2 + 2NH3.

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:

СаСО3 + СО2 + Н2О = Са(НСО3)2.

В тех же местах, где вода, насыщенная гидрокарбонатом кальция, выходит на поверхность земли и нагревается солнечными лучами, протекает обратная реакция:

Са(НСО3)2 = СаСО3 + СО2 + Н2О.

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 ее 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.

кальций металлический химический физический

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 трудновосстанавливаемых 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. Растворимые соли кальция и магния обуславливают общую жёсткость воды. Если они присутствуют в воде в небольших количествах, то вода называется мягкой. При большом содержании этих солей вода считается жёсткой. Жесткость устраняется при кипячении, для полного устранения воду иногда перегоняют.

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.

Ядерный синтез

Изотоп 48Ca - наиболее эффективный и употребительный материал для производства сверхтяжёлых элементов и открытия новых элементов таблицы Менделеева. Например, в случае использования ионов 48Ca для получения сверхтяжёлых элементов на ускорителях ядра этих элементов образуются в сотни и тысячи раз эффективней, чем при использовании других «снарядов» (ионов).

Применение соединений кальция

Гидрид кальция. Нагреванием кальция в атмосфере водорода получают CaH2 (гидрид кальция), используемый в металлургии (металлотермии) и при получении водорода в полевых условиях.

Оптические и лазерные материалы. Фторид кальция (флюорит) применяется в виде монокристаллов в оптике (астрономические объективы, линзы, призмы) и как лазерный материал. Вольфрамат кальция (шеелит) в виде монокристаллов применяется в лазерной технике, а также как сцинтиллятор.

Карбид кальция. Карбид кальция CaC2 широко применяется для получения ацетилена и для восстановления металлов, а также при получении цианамида кальция (нагреванием карбида кальция в азоте при 1200 °C, реакция идет экзотермически, проводится в цианамидных печах).

Химические источники тока. Кальций, а также его сплавы с алюминием и магнием используются в резервных тепловых электрических батареях в качестве анода(например кальций-хроматный элемент). Хромат кальция используется в таких батареях в качестве катода. Особенность таких батарей - чрезвычайно долгий срок хранения (десятилетия) в пригодном состоянии, возможность эксплуатации в любых условиях (космос, высокие давления), большая удельная энергия по весу и объему. Недостаток в недолгом сроке действия. Такие батареи используются там, где необходимо на короткий срок создать колоссальную электрическую мощность (баллистические ракеты, некоторые космические аппараты и.др.).

Огнеупорные материалы. Оксид кальция, как в свободном виде, так и в составе керамических смесей, применяется в производстве огнеупорных материалов.

Лекарственные средства. 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 (пневмания, 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.

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.

Биологическая роль

Кальций - распространенный макроэлемент в организме растений, животных и человека. В организме человека и других позвоночных большая его часть содержится в скелете и зубах в виде фосфатов. Из различных форм карбоната кальция (извести) состоят скелеты большинства групп беспозвоночных (губки, коралловые полипы, моллюски и др.). Ионы кальция участвуют в процессах свертывания крови, а также в обеспечении постоянного осмотического давления крови. Ионы кальция также служат одним из универсальных вторичных посредников и регулируют самые разные внутриклеточные процессы - мышечное сокращение, экзоцитоз, в том числе секрецию гормонов и нейромедиаторов и др. Концентрация кальция в цитоплазме клеток человека составляет около 10−7 моль, в межклеточных жидкостях около 10−3 моль.

Большая часть кальция, поступающего в организм человека с пищей, содержится в молочных продуктах, оставшийся кальций приходится на мясо, рыбу, и некоторые растительные продукты (особенно много содержат бобовые). Всасывание происходит как в толстом, так и тонком кишечнике и облегчается кислой средой, витамином Д и витамином С, лактозой, ненасыщенными жирными кислотами. Немаловажна роль магния в кальциевом обмене, при его недостатке кальций «вымывается» из костей и осаждается в почках (почечные камни) и мышцах.

Усваиванию кальция препятствуют аспирин, щавелевая кислота, производные эстрогенов. Соединяясь с щавелевой кислотой, кальций дает нерастворимые в воде соединения, которые являются компонентами камней в почках.

Содержания кальция в крови из-за большого количества связанных с ним процессов точно регулируется, и при правильном питании дефицита не возникает. Продолжительное отсутствие в рационе может вызвать судороги, боль в суставах, сонливость, дефекты роста, а также запоры. Более глубокий дефицит приводит к постоянным мышечным судорогам и остеопорозу. Злоупотребление кофе и алкоголем могут быть причинами дефицита кальция, так как часть его выводится с мочой.

Избыточные дозы кальция и витамина Д могут вызвать гиперкальцемию, после которой следует интенсивная кальцификация костей и тканей (в основном затрагивает мочевыделительную систему). Продолжительный переизбыток нарушает функционирование мышечных и нервных тканей, увеличивает свертываемость крови и уменьшает усвояемость цинка клетками костной ткани. Максимальная дневная безопасная доза составляет для взрослого от 1500 до 1800 миллиграмм.

Продукты Кальций, мг/100 г

Кунжут 783

Крапива 713

Подорожник большой 412

Сардины в масле 330

Будра плющевидная 289

Шиповник собачий 257

Миндаль 252

Подорожник ланцетолист. 248

Лесной орех 226

Кресс-салат 214

Соя бобы сухие 201

Дети до 3 лет - 600 мг.

Дети от 4 до 10 лет - 800 мг.

Дети от 10 до 13 лет - 1000 мг.

Подростки от 13 до 16 лет - 1200 мг.

Молодежь от 16 и старше - 1000 мг.

Взрослые от 25 до 50 лет - от 800 до 1200 мг.

Беременные и кормящие грудью женщины - от 1500 до 2000 мг.

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

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

2.Доронин. Н. А. Кальций, Госхимиздат, 1962. 191 стр. с илл.

.Доценко В.А. - Лечебно-профилактическое питание. - Вопр. питания, 2001 - N1-с.21-25

4.Bilezikian J. P. Calcium and bone metabolism // In: K. L. Becker, ed.

5.М.Х. Карапетьянц, С.И. Дракин - Общая и неорганическая химия, 2000. 592 стр. с илл.