Химические свойства кальция кратко

Обновлено: 04.07.2024

Соединения кальция находятся практически во всех животных и растительных тканях. В организме человека и животного 1,4-2 % Са3(РО4)2 и 13 % СаСО3.

Получение

Свойства

Химические свойства

Кальций — типичный воздухе (с образованием оксида и кислороде, пламя имеет оранжево- цвет. Реагирует со всеми галогенами. При нагревании кальция в водороде образует азоте бором кальций образует гекса Применение

Применение металлического кальция

Применение соединений кальция

Легирование сплавов

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

Гидрид кальция

Нагреванием кальция в атмосфере водорода получают CaH ( Оптика

флюорит) применяется в виде монокристаллов в оптике (астрономические объективы, линзы, призмы), и как лазерный материал.

Лазерные материалы

Вольфрамат кальция ( Карбид кальция

°C идет экзотермически, проводится в цианамидных печах).

Химические источники тока

Кальций, а так же 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.т.д).

Биологическая роль

В организме животных ионы кальция играют существенную роль (кальциевые каналы).

Кальций — важнейший элемент для формирования скелета (см. Изотопы

Из шести природных изотопов кальция пять стабильны. Шестой изотоп 48 Ca, самый тяжелый из шести и весьма редкий (его двойной бета-распад с периодом полураспада 5,3×10 19 лет.

Кальций Ca — это щелочноземельный металл, серебристо-белый, пластичный, достаточно твердый. Реакционноспособный. Сильный восстановитель.

Относительная молекулярная масса Mr = 40,078; относительная плотность для твердого и жидкого состояния d = 1,54; tпл = 842º C; tкип = 1495º C.

1. В результате электролиза жидкого хлорида кальция образуются кальций и хлор :

2. Хлорид кальция взаимодействует с алюминием при 600 — 700º С образуя кальций и хлорид алюминия:

3CaCl2 + 2Al = 3Ca + 2AlCl3

3. В результате разложения гидрида кальция при температуре выше 1000º С образуется кальций и водород:

4. Оксид кальция взаимодействует с алюминием при 1200º С и образует кальций и алюминат кальция:

4CaO + 2Al = 3Ca + Ca(AlO2)2

Кальций окрашивает пламя газовой горелки в коричнево-красный цвет.

1. Кальций — сильный восстановитель . Поэтому он реагирует почти со всеми неметаллами :

1.1. Кальций взаимодействует с азотом при 200 — 450º С образуя нитрид кальция:

1.2. Кальций сгорает в кислороде (воздухе) при выше 300º С с образованием оксида кальция:

2Ca + O2 = 2CaO

1.3. Кальций активно реагирует при температуре 200 — 400º С с хлором, бромом и йодом . При этом образуются соответствующие соли :

1.4. С водородом кальций реагирует при температуре 500 — 700º C с образованием гидрида кальция:

1.5. В результате взаимодействия кальция и фтора при комнатной температуре образуется фторид кальция:

1.6. Кальций взаимодействует с серой при 150º С и образует сульфид кальция:

Ca + S = CaS

1.7. В результате реакции между кальцием и фосфором при 350 — 450º С образуется фосфид кальция:

1.8. Кальций взаимодействует с углеродом (графитом) при 550º С и образует карбид кальция:

Ca + 2C = CaC2

2. Кальций активно взаимодействует со сложными веществами:

2.1. Кальций при комнатной температуре реагирует с водой . Взаимодействие кальция с водой приводит к образованию гидроксида кальция и газа водорода:

2.2. Кальций взаимодействует с кислотами:

2.2.1. Кальций реагирует с разбавленной соляной кислотой, при этом образуются хлорид кальция и водород :

Ca + 2HCl = CaCl2 + H2 ↑

2.2.2. Реагируя с разбавленной азотной кислотой кальций образует нитрат кальция, оксид азота (I) и воду:

если азотную кислоту еще больше разбавить, то образуются нитрат кальция, нитрат аммония и вода:

2.3. Кальций вступает в реакцию с газом аммиаком при 600 — 650º С. В результате данной реакции образуется нитрид кальция и гидрид кальция:

если аммиак будет жидким, то в результате реакции в присутствии катализатора платины образуется амид кальция и водород:


[Deposit Photos]

Кальций располагается в четвертом большом периоде, второй группе, главной подгруппе, порядковый номер элемента — 20. Согласно периодической таблице Менделеева, атомный вес кальция — 40,08. Формула высшего оксида — СаО. Кальций имеет латинское название cal­ci­um, поэтому символ атома элемента — Са.

Характеристика кальция как простого вещества

При обычных условиях кальций — это металл серебристо-белого цвета. Имея высокую химическую активность, элемент способен образовывать множество соединений разных классов. Элемент представляет ценность для технических и промышленных химических синтезов. Металл широко распространен в земной коре: его доля составляет около 1,5 %. Кальций относится к группе щелочноземельных металлов: при растворении в воде он дает щелочи, но в природе встречается в виде множественных минералов и солей. Морская вода содержит кальций в больших концентрациях (400 мг/л).


Чистый натрий [Wikimedia]

Характеристики кальция зависят от строения его кристаллической решетки. У этого элемента она бывает двух типов: кубическая гранецентрическая и объемноцентрическая. Тип связи в молекуле кальция — металлический.

Природные источники кальция:

  • апатиты;
  • алебастр;
  • гипс;
  • кальцит;
  • флюорит;
  • доломит.

Физические свойства кальция и способы получения металла

В обычных условиях кальций находится в твердом агрегатном состоянии. Металл плавится при 842 °С. Кальций является хорошим электро- и теплопроводником. При нагревании он переходит сначала в жидкое, а затем в парообразное состояние и теряет металлические свойства. Металл является очень мягким и режется ножом. Кипит при 1484 °С.

Под давлением кальций теряет металлические свойства и способность к электропроводимости. Но затем металлические свойства восстанавливаются и проявляются свойства сверхпроводника, в несколько раз превышающего по своим показателям остальные элементы.

Кальций долго не удавалось получить без примесей: из-за высокой химической активности этот элемент не встречается в природе в чистом виде. Элемент был открыт в начале XIX века. Кальций как металл впервые синтезировал британский химик Гемфри Дэви. Ученый обнаружил особенности взаимодействия расплавов твердых минералов и солей с электрическим током. В наши дни электролиз солей кальция (смеси хлоридов кальция и калия, смеси фторида и хлорида кальция) остается самым актуальным способом получения металла. Кальций также извлекают из его оксида с помощью алюминотермии — распространенного в металлургии метода.

Химические свойства кальция

Кальций — активный металл, вступающий во многие взаимодействия. При нормальных условиях он легко реагирует, образуя соответствующие бинарные соединения: с кислородом, галогенами. Нажмите здесь, чтобы узнать больше о соединениях кальция. При нагревании кальций реагирует с азотом, водородом, углеродом, кремнием, бором, фосфором, серой и другими веществами. На открытом воздухе мгновенно взаимодействует с кислородом и углекислым газом, поэтому покрывается серым налетом.

Бурно реагирует с кислотами, при этом иногда воспламеняется. В солях кальций проявляет интересные свойства. Например, пещерные сталактиты и сталагмиты — это карбонат кальция, постепенно образовавшийся из воды, углекислого газа и гидрокарбоната в итоге процессов внутри подземных вод.

Из-за высокой активности в обычном состоянии кальций хранится в лабораториях в темной герметичной стеклянной посуде под слоем парафина или керосина. Качественная реакция на ион кальция — окрашивание пламени в насыщенный кирпично-красный цвет.


Кальций окрашивает пламя в красный цвет [Wikimedia]

Идентифицировать металл в составе соединений можно по нерастворимым осадкам некоторых солей элемента (фторид, карбонат, сульфат, силикат, фосфат, сульфит).

Реакция воды с кальцием

Кальций хранят в банках под слоем защитной жидкости. Чтобы провести опыт, демонстрирующий, как происходит реакция воды и кальция, нельзя просто достать металл и отрезать от него нужный кусочек. Металлический кальций в лабораторных условиях проще использовать в виде стружки.

Если металлической стружки нет, а в банке есть только большие куски кальция, потребуются пассатижи или молоток. Готовый кусочек кальция нужного размера помещают в колбу или стакан с водой. Кальциевую стружку кладут в посуду в марлевом мешочке.

Кальций опускается на дно, и начинается выделение водорода (сначала в месте, где находится свежий излом металла). Постепенно с поверхности кальция выделяется газ. Процесс напоминает бурное кипение, одновременно образовывается осадок гидроксида кальция (гашёная известь).


Гашение извести [Flickr]

Кусок кальция всплывает, подхваченный пузырьками водорода. Примерно через 30 секунд кальций растворяется, а вода из-за образования взвеси гидроксида становится мутно-белой. Если реакцию проводить не в стакане, а в пробирке, можно наблюдать выделение тепла: пробирка быстро становится горячей. Реакция кальция с водой не заканчивается эффектным взрывом, но взаимодействие двух веществ протекает бурно и выглядит зрелищно. Опыт безопасен.

Если мешочек с оставшимся кальцием вынуть из воды и подержать на воздухе, то через некоторое время в результате продолжающейся реакции наступит сильное разогревание и оставшаяся в марле вода закипит. Если часть помутневшего раствора отфильтровать через воронку в стакан, то при пропускании через раствор оксида углерода CO₂ получится осадок. Для этого не нужен углекислый газ — можно продувать выдыхаемый воздух в раствор через стеклянную трубочку.

Природный кальций состоит из смеси нуклидов 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

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 и алюмосиликатов различных горных пород (граниты, гнейсы и т. п.). 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 известняк СaCO3, ангидрит CaSO4 и гипс CaSO4·2H2O, флюорит CaF2, апатиты Ca5(PO4)3(F, Cl, OH), доломит MgCO3·СaCO3. Присутствием солей кальция и магния в природной воде определяется ее жесткость. Значительное количество кальция входит в состав живых организмов. Так, гидроксилапатит Ca5(PO4)3(OH), 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.

Получение

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:

Физические и химические свойства

Металл кальций существует в двух аллотропных модификациях (см. Аллотропия). 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). 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:

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:

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:

Оксид кальция — типично основной. В лаборатории и технике его получают термическим разложением карбонатов:

Полученный таким способом Ca(ОН)2 обычно называют гашеной известью или известковым молоком 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.

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, средний ортофосфат Ca3(PO4)2, оксалат СаС2О4 и некоторые другие.

Важное значение имеет то обстоятельство, что в отличие от среднего 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:

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

Наличие в воде растворенного гидрокарбоната кальция во многом определяет временную жесткость 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 кальция и его соединений

Металлический кальций применяют для металлотермического получения урана, тория, титана, циркония, цезия и рубидия.

Природные соединения кальция широко используют в производстве вяжущих материалов (цемент, 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 СаСОз, 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 SiO2) в сравнительно легкоплавкие шлаки.

Хлорид кальция CaCl2 используют наряду с поваренной солью для борьбы с оледенением дорожных покрытий. Фторид кальция СаF2 — прекрасный оптический материал.

Кальций в живых организмах

Кальций — биогенный элемент, 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, 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, осуществляющих транспорт веществ через биологические мембраны, в передаче нервного импульса, в процессах свертывания крови и оплодотворения. Регулируют обмен кальция в организме кальциферолы (витамин D).

Недостаток кальция в организме в младенчестве может привести к заболеванию рахитом, а в зрелом возрасте — к остеопорозу. Избыток кальция может вызвать гиперкальцемию и привести к заболеванию кальцинозом. Поэтому пища человека должна в нужных количествах содержать соединения кальция (600-1500 мг кальция в сутки в зависимости от возраста). Содержание кальция высоко, в некоторых семенах и плодах растений и других продуктах питания, и относительно высоко в молочных продуктах (таких, как творог, сыр, молоко). Препараты кальция широко используются в медицине.

Продукты, содержащие кальций и нормы его потребления

Мак
Семена кунжута
Твердые сыры
Крапива
Сардины в масле
Подорожник
Семена подсолнечника
Базилик
Плоды шиповника
Миндаль
Петрушка
Лесной орех
Семя амаранта
Листья кресс-салата
Фасоль
Молоко коровье
Творог обезжиренный

1460
670 – 1000
800 – 1200
713
400 – 450
412
250 – 300
370
257
250 – 270
245
225
214
180 – 200
180 – 200
120
100– 120

Потребность в кальции зависит от возраста. Рекомендуемые Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) суточные нормы потребления кальция составляют:

Читайте также: