Атомный вес кальция. Кальций в природе (3,4% в Земной коре)

Кальций I Ка́льций (Calcium, Са)

химический элемент II группы периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева; относится к щелочноземельным металлам, обладает высокой биологической активностью.

Атомный номер кальция 20, атомная масса 40,08. В природе обнаружено 6 стабильных изотопов К. с массовыми числами 40, 42, 43, 44, 46 и 48.

Кальций химически активен, в природе встречается в виде соединений - силикатов (например, асбеста), карбонатов (известняка, мрамора, мела, кальцита, арагонита), сульфатов (гипса и ангидрита), фосфорита, доломита и др. Является основным структурным элементом костной ткани (см. Кость), важным компонентом свертывающей системы крови (Свёртывающая крови), необходимым элементом пищи человека, поддерживающим гомеостатическое соотношение электролитов внутренней среды организма.

К числу наиболее важных функций в живом организме относится его участие в работе многих ферментных систем (в т.ч. обеспечивающих мышц) в передаче нервного импульса, в реакции мышц на нервное и в изменении активности гормонов, реализующейся при участии аденилатциклазы.

В организме человека содержится 1-2 кг кальция (около 20 г на 1 кг массы тела, у новорожденных около 9 г/кг ). Из общего количества кальция 98-99% находится в составе костной и хрящевой тканей в виде карбоната, фосфата, соединений с хлором, органическими кислотами и другими веществами. Остальное количество распределяется в мягких тканях (около 20 мг на 100 г ткани) и внеклеточной жидкости. В плазме крови содержится около 2,5 ммоль/л кальция (9-11 мг /100 мл ) в виде двух фракций: недиффундирующей (комплексы с белками) и диффундирующей (ионизированный К. и комплексы с кислотами). Комплексы с белками являются одной из форм депонирования кальция. На их долю приходится 1 / 3 общего количества К. плазмы. ионизированного К в крови составляет 1,33 ммоль/л , комплексов с фосфатами, карбонатами, цитратами и анионами других органических кислот - 0,3 ммоль/л . Между ионизированным К. и фосфатом К. в плазме крови существует обратная зависимость, однако при рахите наблюдается понижение концентрации обоих ионов, а при гиперпаратиреозе - повышение. В клетках основная часть К. связана с белками и фосфолипидами клеточных мембран и мембран клеточных органелл. Регуляция трансмембранного переноса Са 2+ , в которой принимает участие специфическая Са 2+ -зависимая , осуществляется гормонами щитовидной железы (Щитовидная железа) и паращитовидных желез (Паращитовидные железы) - паратгормоном и его антагонистом кальцитонином. Содержание ионизированного К. в плазме регулируется комплексным механизмом, компонентами которого являются (депо К.), печень ( с желчью), и кальцитонин, а также D (1,25-диокси-холекальциферол). повышает содержание К. и снижает содержание фосфата К. в крови, действуя синергично с витамином D. Он вызывает гиперкальциемию за счет повышения активности остеокластов и усиления резорбции , увеличивает реабсорбцию К. в почечных канальцах. При гипокальциемии паратгормона значительно повышается. , являясь антагонистом паратгормона, при гиперкальциемии снижает содержание К. в крови и число остеокластов, усиливает выведение фосфата К. почками. В регуляции обмена К. принимают участие также гипофиза (см. Гипофизарные гормоны), коры надпочечников (Надпочечники). Поддержание гомеостатической концентрации К. в организме координируется ц.н.с. (в основном гипоталамо-гипофизарной системой (Гипоталамо-гипофизарная система)) и вегетативной нервной системой.

К. принадлежит важная роль в механизме мышечной работы (Мышечная работа). Он является фактором, разрешающим сокращение мышц: при повышении концентрации ионов К. в миоплазме происходит присоединение К. к регуляторному белку, в результате чего становится способным взаимодействовать с миозином; соединяясь, эти два белка образуют , и мышца сокращается. В процессе образования актомиозина происходит АТФ, химическая энергия которого обеспечивает выполнение механической работы и частично рассеивается в виде тепла. Наибольшая сократительная скелетной наблюдается при концентрации кальция 10 -6 -10 -7 моль ; при понижении концентрации ионов К. (менее 10 -7 моль ) мышечное теряет способность к укорочению и напряжению. Действие К. на ткани проявляется в изменении их трофики, интенсивности окислительно-восстановительных процессов и в других реакциях, связанных с образованием энергии. Изменение концентрации К. в омывающей нервную клетку жидкости существенно влияет на ее мембраны для ионов калия и особенно для ионов натрия (см. Мембраны биологические), причем понижение уровня К. вызывает повышение проницаемости мембраны для ионов натрия и повышение возбудимости нейрона. Повышение концентрации К. оказывает стабилизирующее влияние на мембрану нервной клетки. Установлена роль К. в процессах, связанных с синтезом и выделением нервными окончаниями медиаторов (Медиаторы), обеспечивающих синаптическую передачу нервного импульса.

Источником К. для организма являются . В сутки взрослый должен получать с пищей 800-1100 мг кальция, дети до 7 лет - около 1000 мг , 14-18 лет - 1400 мг , беременные - 1500 мг, кормящие - 1800-2000 мг . Кальций, содержащийся в пищевых продуктах, представлен главным образом фосфатом, другие соединения (карбонат, тартрат, оксалат К. и кальций-магниевая соль фитиновой кислоты) - в значительно меньших количествах. Преимущественно нерастворимые соли К. в желудке частично растворяются желудочным соком, затем подвергаются действию желчных кислот, переводящих его в усвояемую форму. К. происходит главным образом в проксимальных отделах тонкой кишки. взрослого человека усваивает менее половины общего количества поступающего с пищей К. Усвоение К. увеличивается в процессе роста при беременности и лактации. На усвоение К. оказывает влияние его соотношение с жирами, магнием и фосфором пищи, витамин D и другие факторы. При недостаточном поступлении в жира создается дефицит солей кальциевых жирных кислот, необходимых для образования растворимых комплексов с желчными кислотами. И, наоборот, при приеме чрезмерно жирной пищи не хватает желчных кислот для перевода их в растворимое состояние, поэтому значительное количество неусвоенного кальция выводится из организма. Оптимальное соотношение К. и фосфора в пище обеспечивает минерализацию костей растущего организма. Регулятором этого соотношения является витамин D, чем объясняется повышение потребности в нем у детей.

Способ выделения К. зависит характера питания: в случае преобладания в рационе продуктов с кислой реакцией (мяса, хлеба, крупяных блюд) увеличивается выведение К. с мочой, продуктов с щелочной реакцией (молочных продуктов, фруктов, овощей) - с калом. К повышению выведения К. с мочой приводит даже незначительное увеличение его содержания в крови.

Избыток () К. или недостаточность () его в организме может быть причиной или следствием ряда патологических состояний. Так, гиперкальциемия возникает при избыточном приеме солей К., повышенном всасывании К. в кишечнике, снижении его выведения почками, повышенном потреблении витамина D, и проявляется задержкой роста, анорексией, запорами, жаждой, полиурией, гипотонией мышц, гиперрефлексией. При длительной гиперкальциемии развивается Кальциноз , артериальная , нефропатия. наблюдается при ряде заболеваний, сопровождающихся нарушением минерального обмена (см. Рахит , Остеомаляция), системном саркоидозе костей и множественной миеломе, болезни Иценко - Кушинга, акромегалии, гипотиреозе, злокачественных опухолях, особенно при наличии метастазов в кости, гиперпаратиреоидизме. Гиперкальциемии обычно сопутствует . Гипокальциемия, клинически проявляющаяся тетанией (Тетания), может возникнуть при гипопаратиреоидизме, идиопатической тетании (спазмофилии), болезнях желудочно-кишечного тракта, хронической почечной недостаточности, сахарном диабете, синдроме Фанкони - Альбертини, гиповитаминозе D. При дефиците К. в организме для заместительной терапии применяют препараты К. (кальция хлорид, кальция глюконат, кальция лактат, кальция , кальция карбонат).

Определение содержания К. в сыворотке крови, моче и кале служит вспомогательным диагностическим тестом при некоторых заболеваниях. Для исследования биологических жидкостей используют прямые и косвенные методы. Косвенные методы основаны на предварительном осаждении К. оксалатом аммония, хлоранилатом или пикроленатом и последующем гравиметрическом, титриметрическом или колориметрическом определении. К прямым методам относятся комплексонометрическое титрование в присутствии этилендиаминтетраацетата или этиленгликольтетраацета и металлоиндикаторов, например мурексида (метод Гринблатта - Хартмена), флюорексона, кислотного хрома темно-синего, кальциона и др., колориметрические методы с использованием ализарина, метилтимолового синего, о-крезолфталеинкомплексона, глиокеаль-бис-2-оксианила; флюориметрические методы метод пламенной фотометрии; атомно-абсорбционная спектрометрия (наиболее точный и чувствительный метод, позволяющий определить до 0,0001% кальция); метод с применением ионоселективных электродов (позволяет установить активность ионов кальция). Содержание ионизированного К. в сыворотке крови можно определить, используя данные) концентрации суммарного К. и суммарного белка с помощью эмпирической формулы: процент связанного с белком кальция = 8() + 2() + 3 г /100 мл .

Библиогр.: Костюк П.Г. Кальций и клеточная , М., 1986, библиогр.; Лабораторные методы исследования в клинике, под ред. В.В. Меньшикова, с. 59, 265, М., 1987; Регуляция и ионов кальция, под ред. М.Д. Курского и др., Киев, 1977; Романенко В.Д. кальциевого обмена, Киев, 1975, библиогр.

II Ка́льций (Calcium; Са)

химический элемент II группы периодической системы Д.И. Менделеева; атомный номер 20, атомная масса 40,08; обладает высокой биологической активностью; является важным компонентом системы свертывания крови; входит в состав костной ткани; различные соединения кальция применяются в качестве лекарственных средств.

1. Малая медицинская энциклопедия. - М.: Медицинская энциклопедия. 1991-96 гг. 2. Первая медицинская помощь. - М.: Большая Российская Энциклопедия. 1994 г. 3. Энциклопедический словарь медицинских терминов. - М.: Советская энциклопедия. - 1982-1984 гг .

Синонимы :

- (Calcium), Ca, химический элемент II группы периодической системы, атомный номер 20, атомная масса 40,08; относится к щелочно земельным металлам; tпл 842шC. Содержится в костной ткани позвоночных, раковинах моллюсков, яичной скорлупе. Кальций… … Современная энциклопедия

Металл серебристо белого цвета, вязкий, ковкий, на воздухе быстро окисляющийся. Темп pa плавления 800 810°. В природе встречается в виде различных солей, образующих залежи мела, известняка, мрамора, фосфоритов, апатитов, гипса и др. На жел. дор.… … Технический железнодорожный словарь

- (лат. Calcium) Ca, химический элемент II группы периодической системы, атомный номер 20, атомная масса 40,078, относится к щелочноземельным металлам. Название от латинского calx, родительный падеж calcis известь. Серебристо белый металл,… … Большой Энциклопедический словарь

- (символ Са), широко распространенный серебристо белый металл из группы ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНЫХ, впервые выделен в 1808 г. Содержится во многих горных породах и минералах, особенно в известняке и гипсе, а также в костях. В организме способствует… … Научно-технический энциклопедический словарь

Ca (от лат. Calx, род. падеж calcis известь *а. calcium; н. Kalzium; ф. calcium; и. calcio), хим. элемент II группы периодич. системы Mенделеева, ат.н. 20, ат. м. 40,08. Cостоит из шести стабильных изотопов: 40Ca (96,97%), 42Ca (0,64%),… … Геологическая энциклопедия

КАЛЬЦИЙ, кальция, мн. нет, муж. (от лат. calx известь) (хим.). Химический элемент металл серебристо белого цвета, содержащийся в извести. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова Физическая энциклопедия

Среди всех элементов периодической системы можно выделить несколько таких, без которых не просто развиваются различные заболевания у живых организмов, но и вообще невозможно нормально жить и расти. Один из таких - кальций.

Интересно, что когда речь идет об этом металле, как простом веществе, то никакой пользы для человека он не имеет, даже вред. Однако стоит только упомянуть об ионах Са 2+ , как сразу возникает масса пунктов, характеризующих их важное значение.

Положение кальция в периодической системе

Характеристика кальция, как и любого другого элемента, начинается с указания его места положения в периодической системе. Ведь она дает возможность многое узнать о данном атоме:

заряд ядра;
количество электронов и протонов, нейтронов;
степень окисления, высшую и низшую;
электронную конфигурацию и прочие важные вещи.

Рассматриваемый нами элемент располагается в четвертом большом периоде второй группе, главной подгруппе и имеет порядковый номер 20. Также химическая таблица Менделеева показывает атомный вес кальция - 40,08, что является усредненным значением существующих изотопов данного атома.

Степень окисления одна, всегда постоянна, равна +2. Формула СаО. Латинское название элемента calcium, отсюда символ атома Са.

Характеристика кальция как простого вещества

При обычных условиях данный элемент представляет собой металл, серебристо-белого цвета. Формула кальция как простого вещества - Са. Вследствие высокой химической активности, способен образовывать множество соединений, относящихся к разным классам.

В твердом агрегатном состоянии в состав организма человека не входит, поэтому представляет значение для промышленных и технических нужд (в основном химические синтезы).

Является одним из самых распространенных по доле в земной коре металлов, около 1,5 %. Относится к группе щелочноземельных, так как при растворении в воде дает щелочи, но в природе встречается в виде множественных минералов и солей. Очень много кальция (400 мг/л) включено в состав морской воды.

Кристаллическая решетка

Характеристика кальция объясняется строением кристаллической решетки, которая у него может быть двух типов (так как существует альфа и бета форма):

кубическая гранецентрическая;
объемноцентрическая.

Тип связи в молекуле - металлическая, в узлах решетки, как и у всех металлов - атом-ионы.

Нахождение в природе

Существует несколько основных веществ в природе, которые содержат данный элемент.

Морская вода.
Горные породы и минералы.
Живые организмы (раковины и панцири, костные ткани и так далее).
Подземные воды в земной коре.

Можно обозначить следующие виды горных пород и минералов, которые являются природными источниками кальция.

Доломит - смесь карбоната кальция и магния.
Флюорит - фторид кальция.
Гипс - CaSO 4 · 2H 2 O.
Кальцит - мел, известняк, мрамор - карбонат кальция.
Алебастр - CaSO 4 ·0.5H 2 O.
Апатиты.

Всего выделяют около 350 различных минералов и горных пород, которые содержат кальций.

Способы получения

В свободном виде выделить металл долгое время не удавалось, так как его химическая активность высока, в природе в чистом виде не встретишь. Поэтому вплоть до XIX века (1808 года) рассматриваемый элемент был еще одной загадкой, которую несла таблица Менделеева.

Кальций как металл сумел синтезировать английский химик Гемфри Дэви. Именно он первым обнаружил особенности взаимодействия расплавов твердых минералов и солей с электрическим током. На сегодняшний день до сих пор самым актуальным способом получения данного металла является электролиз его солей, таких как:

смесь хлоридов кальция и калия;
смесь фторида и хлорида кальция.

Также можно извлечь кальций из его оксида при помощи распространенного в металлургии метода алюминотермии.

Физические свойства

Характеристика кальция по физическим параметрам может быть описана несколькими пунктами.

Агрегатное состояние - при обычных условиях твердое.
Температура плавления - 842 0 С.
Металл мягкий, может резаться ножом.
Цвет - серебристо-белый, блестящий.
Обладает хорошими проводниковыми и теплопроводными свойствами.
При длительном нагревании переходит в жидкое, затем парообразное состояние, теряя металлические свойства. Температура кипения 1484 0 С.

Физические свойства кальция имеют одну особенность. Когда на металл оказывается давление, то он в какой-то момент времени теряет свои металлические свойства и способность к электропроводимости. Однако при дальнейшем увеличении воздействия вновь восстанавливается и проявляет себя как сверхпроводник, в несколько раз превышающий по данным показателям остальные элементы.

Химические свойства

Активность данного металла очень высока. Поэтому существует множество взаимодействий, в которые вступает кальций. Реакции со всеми неметаллами для него - обычное дело, ведь как восстановитель он очень силен.

При нормальных условиях легко реагирует с образованием соответствующих бинарных соединений с: галогенами, кислородом.
При нагревании: водород, азот, углерод, кремний, фосфор, бор, сера и прочие.
На открытом воздухе сразу взаимодействует с углекислым газом и кислородом, поэтому покрывается серым налетом.
С кислотами реагирует бурно, иногда с воспламенением.

Интересные свойства кальция проявляются, когда речь идет о нем в составе солей. Так, красивые пещерные вырастающие на потолке и стенах, это не что иное, как образовавшийся со временем из воды, углекислого газа и гидрокарбоната под влиянием процессов внутри подземных вод.

Учитывая, насколько металл активен в обычном состоянии, хранят его в лабораториях, как и щелочные. В темной стеклянной посуде, с плотно закрытой крышкой и под слоем керосина или парафина.

Качественная реакция на ион кальция - это окраска пламени в красивый, насыщенный кирпично-красный цвет. Также идентифицировать металл в составе соединений можно по нерастворимым выпадающим осадкам некоторых его солей (карбонат кальция, фторид, сульфат, фосфат, силикат, сульфит).

Соединения металла

Разновидности соединений металла следующие:

оксид;
гидроксид;
соли кальция (средние, кислые, основные, двойные, комплексные).

Оксид кальция известен как СаО используется для создания строительного материала (извести). Если загасить оксид водой, то получится соответствующий гидроксид, проявляющий свойства щелочи.

Большое практическое значение имеют именно различные соли кальция, которые используются в разных отраслях хозяйства. Какие именно существуют соли, мы уже упоминали выше. Приведем примеры по типам этих соединений.

Средние соли - карбонат СаСО 3 , фосфат Са 3 (РО 4) 2 и другие.
Кислые - гидросульфат CaHSO 4 .
Основные - гидрокарбонат (СаОН) 3 PO 4 .
Комплексные - Cl 2.
Двойные - 5Ca(NO 3) 2 *NH 4 NO 3 *10H 2 O.

Именно в форме соединений данного класса кальций имеет значение для биологических систем, так как источником ионов для организма являются соли.

Биологическая роль

Чем же важен кальций для организма человека? Причин несколько.

Именно ионы этого элемента входят в состав межклеточного вещества и тканевой жидкости, участвуя в регуляции механизмов возбуждения, выработки гормонов и нейромедиаторов.
Кальций накапливается в костях, зубной эмали в количестве около 2,5% от общей массы тела. Это достаточно много и играет важную роль в укреплении этих структур, сохранении их прочности и устойчивости. Рост организма без этого невозможен.
Свертываемость крови также зависит от рассматриваемых ионов.
Входит в состав сердечной мышцы, участвуя в ее возбуждении и сокращении.
Является участником процессов экзоцитоза и других внутриклеточных изменений.

Если количество потребляемого кальция будет недостаточно, то возможно развитие таких заболеваний, как:

рахит;
остеопороз;
заболевания крови.

Суточная норма для взрослого человека - 1000 мг, а для детей от 9 лет 1300 мг. Для того чтобы не допустить переизбыток этого элемента в организме, следует не превышать указанной дозы. В противном случае могут развиться заболевания кишечника.

Для всех остальных живых существ кальций не менее важен. Например, многие хоть и не имеют скелета, однако наружные средства укрепления их также являются образованиями этого металла. Среди них:

моллюски;
мидии и устрицы;
губки;
коралловые полипы.

Все они носят на своей спине или в принципе формируют в процессе жизнедеятельности некий наружный скелет, защищающий их от внешних воздействий и хищников. Основная составная часть его - соли кальция.

Позвоночные животные, как и человек, нуждаются в рассматриваемых ионах для нормального роста и развития и получают их с пищей.

Есть много вариантов, при помощи которых возможно восполнить недостающую норму элемента в организме. Лучше всего, конечно, естественные методы - продукты, содержащие нужный атом. Однако если это по каким-либо причинам недостаточно или невозможно, медицинский путь также приемлем.

Так, список продуктов, содержащих кальций, примерно такой:

молочные и кисломолочные изделия;
рыба;
зелень;
зерновые культуры (гречка, рис, выпечка из цельнозерновой муки);
некоторые цитрусовые (апельсины, мандарины);
бобовые;
все орехи (особенно, миндаль и грецкие).

Если же на какие-то продукты аллергия или нельзя употреблять их по другой причине, то восполнить уровень нужного элемента в организме помогут кальций содержащие препараты.

Все они представляют собой соли этого металла, обладающие способностью легко усваиваться организмом, быстро всасываясь в кровь и кишечник. Среди них самыми популярными и используемыми являются следующие.

Хлорид кальция - раствор для инъекций или для приема внутрь взрослым и детям. Отличается концентрацией соли в составе, используется для "горячих уколов", поскольку вызывает именно такое ощущение при вкалывании. Есть формы с фруктовым соком для облегчения приема внутрь.
Выпускается как таблетками (0,25 или 0,5 г), так и растворами для внутривенных инъекций. Часто в виде таблеток содержит различные фруктовые добавки.
Лактат кальция - выпускается в таблетках по 0,5 г.

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

Задание

Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

Ca → Ca(OH) 2 → CaCO 3 →Ca(HCO 3) 2 .

Ответ

Растворив кальций в воде можно получить мутный раствор соединения известного под названием «известковое молоко» — гидроксида кальция:

Ca+ 2H 2 O→ Ca(OH) 2 + H 2 .

Пропустив через раствор гидроксида кальция углекислый газ получаем карбонат кальция:

2Ca(OH) 2 + CO 2 → CaCO 3 + H 2 O.

Добавив к карбонату кальция воды и продолжая пропускать через данную смесь углекислый газ получаем гидрокарбонат кальция:

CaCO 3 + H 2 O + CO 2 → Ca(HCO 3) 2 .

Ка́льций —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.

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 неё 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: 40 Ca, 42 Ca, 43 Ca, 44 Ca, 46 Ca и 48 Ca, среди которых наиболее распространённый — 40 Ca — составляет 96,97 %.

Из шести природных изотопов кальция пять стабильны. Шестой изотоп 48 Ca, 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 5,3×10 19 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 (CaCO 3). Кристаллическая форма кальцита — мрамор — встречается в природе гораздо реже.

Довольно широко распространены такие минералы кальция, как кальцит CaCO 3 , ангидрит CaSO 4 , алебастр CaSO 4 ·0.5H 2 O и гипс CaSO 4 ·2H 2 O, флюорит CaF 2 , апатиты Ca 5 (PO 4) 3 (F,Cl,OH), доломит MgCO 3 ·CaCO 3 . 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 (четвёртое 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:

СаСО 3 + H 2 O + CO 2 ↔ Са (НСО 3) 2 ↔ Ca 2+ + 2HCO 3 -

(равновесие смещается влево или вправо в зависимости от концентрации углекислого газа).

Огромную роль играет 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 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. 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 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.

Свойства

Физические свойства

Металл кальций существует в двух аллотропных модификациях . До 443 °C устойчив α-Ca с кубической гранецентрированной решеткой (параметр а = 0,558 нм), выше устойчив β-Ca с кубической объемно-центрированной решеткой типа α-Fe (параметр a = 0,448 нм). Стандартная энтальпия ΔH 0 перехода α → β составляет 0,93 кДж/моль.

Химические свойства

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, но без воспламенения:

Ca + 2Н 2 О = Ca(ОН) 2 + Н 2 + Q.

Наличие в воде растворенного гидрокарбоната кальция во многом определяет временную жёсткость воды. Временной её называют потому, что при кипячении воды гидрокарбонат разлагается, и в осадок выпадает СаСО 3 . Это явление приводит, например, к тому, что в чайнике со временем образуется накипь .

Применение

Применение металлического кальция

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.

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

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 объёму. 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.).

Кроме того, соединения кальция вводят в состав препаратов для профилактики остеопороза , в витаминные комплексы для беременных и пожилых.-

Биологическая роль кальция

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.

Потребность в кальции зависит от возраста. Для взрослых необходимая дневная норма составляет от 800 до 1000 миллиграммов (мг), а для детей от 600 до 900 мг, что для детей очень важно из-за интенсивного роста скелета. 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, ненасыщеными 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. Соединияясь 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.

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

Главная / Лекции 1 курс / Общая и органическая химия / Вопрос 23. Кальций / 2. Физические и химические свойства

Физические свойства. Кальций - серебристо-белый ковкий металл, который плавится при температуре 850 град. С и кипит при 1482 град. С. Он значительно тверже щелочных металлов.

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

2 Са + О2 = 2 СаО (оксид кальция);

Са + Вr2 = СаВr2 (бромид кальция).

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

Са + Н2 = СаН2 (гидрид кальция);

3 Са + N2 = Са3N2 (нитрид кальция);

Са + S = СаS (сульфид кальция);

3 Са + 2 Р = Са3Р2 (фосфид кальция);

Са + 2 С = СаС2 (карбид кальция).

С холодной водой кальций взаимодействует медленно, а с горячей - очень энергично:

Са + 2 Н2О = Са(ОН)2 + Н2.

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

5 Са + Nb2О5 = СаО + 2 Nb;

1. Нахождение в природе
3. Получение
4. Применение

www.medkurs.ru

Кальций | справочник Пестициды.ru

У многих людей знания о кальции ограничиваются лишь тем, что этот элемент необходим для здоровья костей и зубов. Где еще он содержится, зачем он нужен и насколько необходим, представление имеют не все. Тем не менее, кальций находится во множестве знакомых нам соединений, как природных, так и полученных человеком. Мел и известь, сталактиты и сталагмиты пещер, древние окаменелости и цемент, гипс и алебастр, молочные продукты и препараты против остеопороза – все это и многое другое отличается высоким содержанием кальция.

Впервые данный элемент был получен Г. Дэви в 1808 году, и поначалу он использовался не особенно активно. Тем не менее, сейчас этот металл пятый в мире по добыче, и потребность в нем возрастает год от года. Основная сфера использования кальция – получение строительных материалов и смесей. Тем не менее, он необходим для построения не только домов, но и живых клеток. В организме человека кальций входит в состав скелета, делает возможными мышечные сокращения, обеспечивает свертываемость крови, регулирует активность ряда пищеварительных ферментов и выполняет другие, довольно многочисленные функции. Не менее важен он и для других живых объектов: животных, растений, грибов и даже бактерий. При этом, потребность в кальции достаточно высока, что позволяет отнести его к числу макроэлементов.

Кальций (Calcium), Ca – химический элемент главной подгруппы II группы периодической системы Менделеева. Атомный номер – 20. Атомная масса – 40,08.

Кальций – щелочноземельный металл. В свободном состоянии ковкий, довольно твердый, белый. По плотности относится к легким металлам.

Плотность – 1,54 г/см3,
Температура плавления – +842 °C,
Температура кипения – +1495 °C.

Кальций обладает ярко выраженными металлическими свойствами. Во всех соединениях степень окисленности составляет +2.

На воздухе покрывается слоем оксида, при нагревании сгорает красноватым, ярким пламенем. С холодной водой реагирует медленно, а из горячей быстро вытесняет водород и образует гидроксид. При взаимодействии с водородом образует гидриды. При комнатной температуре вступает во взаимодействие с азотом, образуя нитриды. Также легко соединяется с галогенами и серой, восстанавливает при нагревании оксиды металлов.

Кальций входит в число самых распространенных элементов в природе. В земной коре его содержание равно 3 % массы. Встречается в виде отложений мела, известняков, мрамора (природная разновидность карбоната кальция CaCO3). В большом количестве встречаются залежи гипса (CaSO4 х 2h3O), фосфорита (Ca3(PO4)2 и различных содержащих кальций силикатов.

Вода

. Соли кальция почти всегда присутствуют в природной воде. Из них только гипс незначительно в ней растворим. При содержании в воде диоксида углерода карбонат кальция переходит в раствор в виде гидрокарбоната Ca(HCO3)2.

Жесткая вода

. Природная вода с большим количеством солей кальция или магния называется жесткой.

Мягкая вода

. При малом содержании данных солей или их отсутствии воду называют мягкой.

Почвы

. Как правило, почвы в достаточной мере обеспечены кальцием. И, поскольку кальций содержится в большей массе в вегетативной части растений, его вынос с урожаем незначителен.

Потери кальция из почвы происходят в результате вымывания его осадками. Этот процесс зависит от гранулометрического состава почв, количества осадков, вида растений, форм и доз извести и минеральных удобрений. В зависимости от указанных факторов, потери кальция из пахотного слоя колеблются от нескольких десятков до 200 – 400 кг/га и более.

Содержание кальция в различных типах почв

Подзолистые почвы содержат 0,73 % (от сухого вещества почвы) кальция.

Серые лесные – 0,90 % кальция.

Черноземы – 1,44 % кальция.

Сероземы – 6,04 % кальция.

В растении кальций находится в виде фосфатов, сульфатов, карбонатов, в форме солей пектиновой и щавелевой кислот. Практически до 65 % кальция в растениях можно извлечь водой. Остальное – обработкой слабой уксусной и соляной кислотами. Больше всего кальция содержится в стареющих клетках.

Симптомы недостатка кальция согласно:
Культура	Симптомы недостатка
Общие симптомы	Побеление верхушечной почки; Побеление молодых листьев; Кончики листьев загнуты вниз; Края листьев закручиваются вверх;
Картофель	Плохо распускаются верхние листья; Отмирает точка роста стебля; На краях листьев - светлая полоса, впоследствии она темнеет; Края листьев закручены вверх;
Капуста белокочанная и цветная	На листьях молодых растений хлоротичная пятнистость (мраморность) или белые полоски по краям; У старых растений листья скручиваются, и на них появляются ожоги; Точка роста отмирает
	Отмирают конечные доли листьев Цветы опадают; На плодах в вершинной части появляется темное пятно, которое по мере роста плода увеличивается (вершинная гниль томатов)
	Верхушечные почки отмирают; Края молодых листьев завернуты вверх, вид рваный, впоследствии отмирают; Отмирают верхние части побегов; Повреждение кончиков корней; В мякоти плодов – коричневые пятна (горькая ямчатость); Вкус плодов ухудшается; Снижается товарность плодов

Функции кальция

Действие данного элемента на растения многостороннее и, как правило, положительное. Кальций:

Усиливает обмен веществ;
Играет важную роль в движении углеводов;
Оказывает влияние на метаморфозы азотистых веществ;
Ускоряет затраты запасных белков семян при прорастании;
Играет определенную роль в процессе фотосинтеза;
сильный антагонист других катионов, препятствует их избыточному поступлению в ткани растений;
Влияет на физико-химические свойства протоплазмы (вязкость, проницаемость и прочее), а значит, и на нормальное протекание биохимических процессов в растении;
Соединения кальция с пектиновыми веществами склеивают стенки отдельных клеток между собой;
Влияет на активность ферментов.

Следует отметить, что влияние соединений кальция (извести) на активность ферментов выражается не только в прямом действии, но и благодаря улучшению физико-химических свойств почвы и ее питательного режима. Кроме того, известкование почвы существенно влияет на процессы биосинтеза витаминов.

Недостаток (дефицит) кальция в растениях

Недостаток кальция в первую очередь сказывается на развитии корневой системы. На корнях прекращается образование корневых волосков. Наружные клетки корня разрушаются.

Данный симптом проявляется как при недостатке кальция, так и при нарушении уравновешенности питательного раствора, то есть преобладании в нем одновалентных катионов натрия, калия и водорода.

Кроме того, наличие в почвенном растворе нитратного азота усиливает поступление кальция в ткани растений, а аммиачного – снижает.

Признаки кальциевого голодания ожидаемы при содержании кальция менее 20 % от емкости катионного обмена почвы.

Симптомы. Визуально дефицит кальция устанавливается по следующим признакам:

У корней растений наблюдаются поврежденные кончики бурой окраски;
Точка роста деформируется и отмирает;
Цветы, завязи и бутоны опадают;
Плоды повреждаются некрозом;
Отмечается хлоротичность листьев;
Верхушечная почка отмирает, и прекращается роста стебля.

Высокой чувствительностью к наличию кальция отличаются капуста, люцерна, клевер. Установлено, что эти же растения характеризуются и повышенной чувствительностью к кислотности почвы.

Минеральное отравление кальцием приводит к межжилочному хлорозу с беловатыми некротическими пятнами. Они могут быть окрашены либо иметь наполненные водой концентрические кольца. Некоторые растения отзываются на избыток кальция ростом листовых розеток, отмиранием побегов и опаданием листьев. Признаки по виду схожи с недостатком железа и магния.

Источник пополнения кальция в почве – известковые удобрения. Они делятся на три группы:

Твердые известковые породы;
Мягкие известковые породы;
Отходы промышленности с повышенным содержанием извести.

Твердые известковые породы по содержанию СаО и MgO подразделяют на:

известняки (55–56 % СаО и до 0,9 % MgO);
известняки доломитизированные (42–55 % СаО и до 9 % MgO);
доломиты (32–30 % СаО и 18–20 % MgO).

Известняки

– основные известковые удобрения. Содержат 75–100 % оксидов Са и Mg в пересчете на СаСО3.

Доломитизированный известняк

. Содержит 79–100 % действующего вещества (д. в.) в пересчете на СаСО3. Рекомендуется в севооборотах с картофелем, бобовыми, льном, корнеплодами, а также на почвах сильнооподзоленных типов.

Мергель

. Содержит до 25–15 % СаСО3 и примесей в виде глины с песком до 20–40 %. Действует медленно. Рекомендован к применению на легких почвах.

Мел

. Содержит 90–100 % СаСО3. Действие быстрее, чем у известняка. Является ценным известковым удобрением в тонкоразмолотом виде.

Жженая известь

(СаО). Содержание СаСО3 – свыше 70 %. Характеризуется как сильно- и быстродействующий материал для известкования.

Гашеная известь

(Са(ОН)2). Содержание СаСО3 – 35 % и более. Это также сильное и быстродействующее известковое удобрение.

Доломитовая мука

. Содержание СаСО3 и MgCO3 – около 100 %. По действию медленнее известковых туфов. Обычно применяется там, где требуется магний.

Известковые туфы

. Содержание СаСO3 – 15–96 %, примесей – до 25 % глины и песка, 0,1 %P2O5. Действие быстрее, чем у известняка.

Дефекационная грязь (дефекат)

. Состоит из СаСО3 и Са(ОН)2. Содержание извести на СаО – до 40 %. Также присутствует азот – 0,5 % и P2O5 – 1–2 %. Это отходы свеклосахарных заводов. Рекомендуется к применению не только для понижения кислотности почв, но и в районах свеклосеяния на черноземных почвах.

Сланцевая зола циклонов

. Сухой пылевидный материал. Содержание действующего вещества – 60–70 %. Относится к промышленным отходам.

Пыль печей и цементных заводов

. Содержание СаСО3 должно превышать 60 %. На практике применяется в хозяйствах, расположенных в непосредственной близости от цементных заводов.

Металлургические шлаки

. Используются в областях Урала и Сибири. Негигроскопичны, легко распыляются. Должны содержать не менее 80 % СаСО3, иметь влажность не более 2 %. Важен гранулометрический состав: 70 % – менее 0,25 мм, 90 % – менее 0,5 мм.

Органические удобрения. Содержание Са в пересчете на СаСО3 составляет 0,32–0,40 %.

Фосфоритная мука. Содержание кальция – 22 % по СаСО3.

Известковые удобрения применяются не только для обеспечения почвы и растений кальцием. Главная цель их использования – известкование почв. Это прием химической мелиорации. Он направлен на нейтрализацию избыточной кислотности почв, на улучшение ее агрофизических, агрохимических и биологических свойств, снабжение растений магнием и кальцием, мобилизацию и иммобилизацию макроэлементов и микроэлементов, создание оптимальных водно-физических, физических, воздушных условий жизни культурных растений.

Эффективность известкования почв

Одновременно с удовлетворением потребности растений в кальции как элементе минерального питания, известкование приводит к множественным положительным изменениям в почвах.

Влияние известкования на свойства некоторых почв

Кальций способствует коагуляции почвенных коллоидов и предупреждению их вымывания. Это приводит к облегчению обработки почвы, улучшению ее аэрации.

В результате известкования:

песчаные гумусовые почвы повышают свою водопоглощающую способность;
на тяжелых глинистых почвах образуются почвенные агрегаты и комковатости, улучшающие водопроницаемость.

В частности, нейтрализуются органические кислоты и из поглощающего комплекса вытесняются Н-ионы. Это приводит к устранению обменной и снижению гидролитической кислотности почвы. Одновременно наблюдается улучшение катионного состава почвенного поглощающего комплекса, что происходит вследствие смены ионов водорода и алюминия на катионы кальция и магния. Это повышает степень насыщенности почв основаниями и увеличивает емкость поглощения.

Влияние известкования на снабжение растений азотом

После проведения известкования положительные агрохимические свойства почвы и ее структуры способны сохраняться в течение нескольких лет. Это способствует созданию благоприятных условий для усиления полезных микробиологических процессов по мобилизации питательных веществ. Усиливается деятельность аммонификаторов, нитрификаторов, азотфиксирующих бактерий, свободно живущих в почве.

Известкование содействует усилению размножения клубеньковых бактерий и улучшению снабжения азотом растения-хозяина. Установлено, что на кислых почвах бактериальные удобрения теряют свою эффективность.

Влияние известкования на снабжение растений зольными элементами

Известкование способствует снабжению растения зольными элементами, поскольку усиливается активность бактерий, разлагающих органические фосфорные соединения почвы и способствующих переходу фосфатов железа и алюминия в доступные растениям фосфорнокислые соли кальция. Известкование кислых почв усиливает микробиологические и биохимические процессы, что, в свою очередь, увеличивает количество нитратов, а также усвояемых форм фосфора и калия.

Влияние известкования на формы и доступность макроэлементов и микроэлементов

Известкование увеличивает количество кальция, а при использовании доломитовой муки – магния. Одновременно токсические формы марганца и алюминия становятся нерастворимыми и переходят в осажденную форму. Доступность таких элементов, как железо, медь, цинк, марганец, снижается. Азот, сера, калий, кальций, магний, фосфор и молибден становятся более доступными.

Влияние известкования на действие физиологически кислых удобрений

Известкование повышает эффективность физиологически кислых минеральных удобрений, особенно аммиачных и калийных.

Положительное действие физиологически кислых удобрений без внесения извести затухает, а со временем способно переходить в отрицательное. Так что на удобренных участках урожаи оказываются даже меньше, чем на неудобренных. Комбинация известкования с применением удобрений увеличивает их эффективность на 25–50 %.

При известковании активизируются ферментативные процессы в почве, по которым косвенно судят о ее плодородии.

Составитель: Григоровская П.И.

Страница внесена: 05.12.13 00:40

Последнее обновление: 22.05.14 16:25

Литературные источники:

Глинка Н.Л. Общая химия. Учебник для ВУЗов. Изд: Л: Химия, 1985 г, с 731

Минеев В.Г. Агрохимия: Учебник.– 2-е издание, переработанное и дополненное.– М.: Издательство МГУ, Издательство «КолосС», 2004.– 720 с., л. ил.: ил. – (Классический университетский учебник).

Петров Б.А., Селиверстов Н.Ф. Минеральное питание растений. Справочное пособие для студентов и огородников. Екатеринбург, 1998. 79 с.

Энциклопедия для детей. Том 17. Химия. / Глав. ред. В.А. Володин. – М.: Аванта +, 2000. – 640 с., ил.

Ягодин Б.А., Жуков Ю.П., Кобзаренко В.И. Агрохимия / Под редакцией Б.А. Ягодина.– М.: Колос, 2002.– 584 с.: ил (Учебники и учебные пособия для студентов высших учебных заведений).

Изображения (переработаны):

20 Ca Calcium, по лицензии CC BY

Calcium deficiency in wheat, by CIMMYT, по лицензии CC BY-NC-SA

www.pesticidy.ru

Кальций и его роль для человечества - Химия

Кальций и его роль для человечества

Введение

Нахождение в природе

Получение

Физические свойства

Химические свойства

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.

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

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

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 CaSO4·0.5h3O и гипс CaSO4·2h3O, 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 + h3O + CO2 - Са (НСО3)2 - Ca2+ + 2HCO3-

(равновесие смещается влево или вправо в зависимости от концентрации углекислого газа).

Биогенная миграция. В биосфере соединения кальция находятся практически во всех животных и растительных тканях (см. тж. ниже). Значительное количество кальция входит в состав живых организмов. Так, гидроксиапатит Ca5(PO4)3OH, или, в другой записи, 3Ca3(PO4)2·Са(OH)2 -- основа костной ткани позвоночных, в том числе и человека; из карбоната кальция CaCO3 состоят раковины и панцири многих беспозвоночных, яичная скорлупа и др. В живых тканях человека и животных 1,4-2 % Са (по массовой доле); в теле человека массой 70 кг содержание кальция -- около 1,7 кг (в основном в составе межклеточного вещества костной ткани).

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:

4CaO + 2Al = CaAl2O4 + 3Ca.

Физические свойства

Металл кальций существует в двух аллотропных модификациях. До 443 °C устойчив?-Ca с кубической гранецентрированной решеткой (параметр а = 0,558 нм), выше устойчив?-Ca с кубической объемно-центрированной решеткой типа?-Fe (параметр a = 0,448 нм). Стандартная энтальпия?H0 перехода? > ? составляет 0,93 кДж/моль.

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:

Ca + 2Н2О = Ca(ОН)2 + Н2^ + Q.

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

2Са + 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,

3Ca + N2 = Ca3N2, Са + 2С = СаС2,

3Са + 2Р = Са3Р2 (

фосфид кальция), известны также фосфиды кальция составов СаР и СаР5;

2Ca + 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:

СаН2 + 2Н2О = Са(ОН)2 + 2Н2^,

Ca3N2 + 3Н2О = 3Са(ОН)2 + 2Nh4^.

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.

Применение металлического кальция

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.

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 Cah3 (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. Соединения кальция широко применяются в качестве антигистаминного средства.

Хлорид кальция

Глюконат кальция

Глицерофосфат кальция

Кроме того, соединения кальция вводят в состав препаратов для профилактики остеопороза, в витаминные комплексы для беременных и пожилых.

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.

Продукты Кальций, мг/100 г

Кунжут 783

Крапива 713

Просвирник лесной 505

Подорожник большой 412

Галинсога 372

Сардины в масле 330

Будра плющевидная 289

Шиповник собачий 257

Миндаль 252

Подорожник ланцетолист. 248

Лесной орех 226

Амарант семя 214

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.

3. Доценко ВА. - Лечебно-профилактическое питание. - Вопр. питания, 2001 - N1-с.21-25

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

www.e-ng.ru

Мир науки

Кальций - металлический элемент главной подгруппы II группы 4 периода периодической системы химических элементов. Он относится к семейству щелочноземельных металлов. На внешнем энергетическом уровне атома кальция содержится 2 спаренных s-электрона

Которые он способен энергично отдавать при химических взаимодействиях. Таким образом, Кальций является восстановителем и в своих соединениях имеет степень окисления +2.В природе кальций встречается только в виде солей. Массовая доля кальция в земной коре - 3,6%. Основным природным минералом кальция является кальцит CaCO3 и его разновидности - известняк, мел, мрамор. Существуют и живые организмы (например, кораллы), костяк которых состоит преимущественно из кальция карбоната. Также важными минералами кальция является доломит CaCO3 MgCO3, флюорит CaF2, гипс CaSO4 2h3O, апатит, полевой шпат и т.д..Кальций играет важную роль в жизнедеятельности живых организмов. Массовая доля кальция в человеческом организме составляет 1,4-2%. Он входит в состав зубов, костей, других тканей и органов, участвует в процессе свертывания крови, возбуждает сердечную деятельность. Чтобы обеспечить организм достаточным количеством кальция, следует обязательно потреблять молоко и молочные продукты, зеленые овощи, рыбу.Простое вещество кальций - это типичный металл серебристо-белого цвета. Он довольно твердый, пластичный, имеет плотность 1,54 г/см3 и температуру плавления 842 ? С.Химически кальций очень активен. При обычных условиях он легко взаимодействует с кислородом и влагой воздуха, поэтому его хранят в герметически закрытых сосудах. При нагревании на воздухе кальций воспламеняется и образует оксид:2Ca + O2 = 2CaO.С хлором и бромом кальций реагирует при нагревании, а с фтором - даже на холоде. Продуктами этих реакций соответствующие галогениды, например:Сa + Сl2 = CaСl2.При нагревании кальция с серой образуется кальций сульфид:Ca + S = CaS.Кальций может реагировать и с другими неметаллами.Взаимодействие с водой приводит к образованию малорастворимого кальций гидроксида и выделение газообразного водорода:Ca + 2h3O = Ca (OH) 2 + h3.Металлический кальций широко используется. Его используют как розкисник при изготовлении сталей и сплавов, как восстановитель для получения некоторых тугоплавких металлов.

Кальций получают электролизом расплава хлорида кальция. Таким образом кальций был впервые получен в 1808 году Хэмфри Дэви.

worldofscience.ru