Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Кальцій



План:


Введення

Кальцій - елемент головної підгрупи другої групи, четвертого періоду періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва, з атомним номером 20. Позначається символом Ca ( лат. Calcium ). Проста речовина кальцій ( CAS-номер : 7440-70-2) - м'який, хімічно активний лужноземельний метал сріблясто-білого кольору.


1. Історія та походження назви

Назва елемента походить від лат. calx (В родовому відмінку calcis) - " вапно "," м'який камінь ". Воно було запропоновано англійським хіміком Хемфрі Деві, в 1808 виділив металевий кальцій електролітичним методом. Деві піддав електролізу суміш вологою гашеного вапна з оксидом ртуті HgO на платинової пластині, яка була анодом. Катодом служила платинова дріт, занурена в рідку ртуть. В результаті електролізу виходила амальгама кальцію. Відігнавши з неї ртуть, Деві отримав метал, названий кальцієм.

Сполуки кальцію - вапняк, мармур, гіпс (а також вапно - продукт випалення вапняку) застосовувалися в будівельній справі вже кілька тисячоліть тому. Аж до кінця XVIII століття хіміки вважали вапно простим тілом. У 1789 році А. Лавуазьє припустив, що вапно, магнезія, барит, глинозем і кремнезем - речовини складні.


2. Знаходження в природі

Через високу хімічної активності кальцій у вільному вигляді в природі не зустрічається.

На частку кальцію припадає 3,38% маси земної кори (5-е місце за поширеністю після кисню, кремнію, алюмінію і заліза). Зміст елемента в морській воді - 400 мг / л [2].

2.1. Ізотопи

Кальцій зустрічається в природі у вигляді суміші шести ізотопів: 40 Ca, 42 Ca, 43 Ca, 44 Ca, 46 Ca і 48 Ca, серед яких найбільш поширений - 40 Ca - складає 96,97%.

З шести природних ізотопів кальцію п'ять стабільні. Шостий ізотоп 48 Ca, найважчий з шести і вельми рідкісний (його ізотопна поширеність дорівнює всього 0,187%), як було нещодавно виявлено, відчуває подвійний бета-розпад з періодом напіврозпаду 5,3 10 19 років.


2.2. У гірських породах і мінералах

Велика частина кальцію міститься в складі силікатів і алюмосилікатів різних гірських порід ( граніти, гнейси і т. п.), особливо в польовому шпате - анортит Ca [Al 2 Si 2 O 8].

У вигляді осадових порід сполуки кальцію представлені крейдою і вапняками, що складаються в основному з мінералу кальциту (CaCO 3). Кристалічна форма кальциту - мармур - зустрічається в природі набагато рідше.

Досить широко поширені такі мінерали кальцію, як кальцит CaCO 3, ангідрит CaSO 4, алебастр CaSO 4 0.5H 2 O і гіпс CaSO 4 2H 2 O, флюорит CaF 2, апатити Ca 5 (PO 4) 3 (F, Cl, OH), доломіт MgCO 3 CaCO 3. Присутністю солей кальцію і магнію в природній воді визначається її жорсткість.

Кальцій, енергійно мігруючий в земній корі і накопичується в різних геохімічних системах, утворює 385 мінералів (четверте місце за кількістю мінералів).


2.3. Міграція в земній корі

В природної міграції кальцію істотну роль грає "карбонатна рівновага", пов'язане з оборотною реакцією взаємодії карбонату кальцію з водою та вуглекислим газом з утворенням розчинного гідрокарбонату:

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

(Рівновага зміщується вліво або вправо в залежності від концентрації вуглекислого газу).

Величезну роль відіграє біогенна міграція.

2.4. У біосфері

З'єднання кальцію знаходяться практично у всіх тваринних і рослинних тканинах ( см. тж.нижче). Значна кількість кальцію входить до складу живих організмів. Так, гідроксиапатит Ca 5 (PO 4) 3 OH, або, в іншому записі, 3Ca 3 (PO 4) 2 Са (OH) 2 - основа кісткової тканини хребетних, в тому числі і людини; з карбонату кальцію CaCO 3 складаються раковини і панцирі багатьох безхребетних, яєчна шкаралупа та ін У живих тканинах людини і тварин 1,4-2% Са (по масовій частці); в тілі людини масою 70 кг вміст кальцію - близько 1,7 кг (в основному в складі міжклітинної речовини кісткової тканини).


3. Отримання

Вільний металевий кальцій отримують електролізом розплаву, що складається з CaCl 2 (75-80%) і KCl або з CaCl 2 і CaF 2, а також алюмінотерміческім відновленням CaO при 1170-1200 C:

4CaO + 2Al → CaAl 2 O 4 + 3Ca.

4. Властивості

4.1. Фізичні

Метал кальцій існує в двох аллотропних модифікаціях. До 443 C стійкий α-Ca з кубічної гранецентрированной гратами (параметр а = 0,558 нм), вище стійкий β-Ca з кубічної об'ємно-центрованої гратами типу α-Fe (параметр a = 0,448 нм). Стандартна ентальпія Δ H 0 переходу α → β складає 0,93 кДж / моль.

При поступовому підвищенні тиску починає проявляти властивості напівпровідника, але не стає напівпровідником в повному сенсі цього слова (металом вже теж не є). При подальшому підвищенні тиску повертається в металевий стан і починає проявляти надпровідні властивості (температура надпровідності в шість разів вище, ніж у ртуті, і набагато перевершує по провідності всі інші елементи). Унікальне поведінка кальцію схоже багато в чому на стронцій (тобто паралелі в періодичній системі зберігаються) [3].


4.2. Хімічні

Кальцій - типовий лужноземельний метал. Хімічна активність кальцію висока, але нижче, ніж всіх інших лужноземельних металів. Він легко взаємодіє з киснем, вуглекислим газом і вологою повітря, через що поверхня металевого кальцію звичайно тьмяно сіра, тому в лабораторії кальцій звичайно зберігають, як і інші лужноземельні метали, в щільно закритій банці під шаром гасу або рідкого парафіну.

В ряду стандартних потенціалів кальцій розташований ліворуч від водню. Стандартний електродний потенціал пари Ca 2 + / Ca 0 -2,84 В, так що кальцій активно реагує з водою, але без займання:

Ca + 2Н 2 О → Ca (ОН) 2 + Н 2 ↑ + Q.

З активними неметалами ( киснем, хлором, бромом) кальцій реагує при звичайних умовах:

2Са + О 2 → 2СаО

Са + Br 2 → CaBr 2.

При нагріванні на повітрі або в кисні кальцій запалюється. З менш активними неметалами ( воднем, бором, вуглецем, кремнієм, азотом, фосфором та іншими) кальцій вступає у взаємодію при нагріванні, наприклад:

Са + Н 2 → Сан 2, Ca + 6B = CaB 6,

3Ca + N 2 → Ca 3 N 2, Са + 2С → САС 2,

3Са + 2Р → Са 3 Р 2 ( фосфід кальцію), відомі також фосфіди кальцію складів САР та САР 5;

2Ca + Si → Ca 2 Si (силицид кальцію), відомі також силіциди кальцію складів CaSi, Ca 3 Si 4 і CaSi 2.

Перебіг вказаних вище реакцій, як правило, супроводжується виділенням великої кількості теплоти (тобто ці реакції - екзотермічні). У всіх з'єднаннях з неметалами ступінь окислення кальцію +2. Більшість із з'єднань кальцію з неметалами легко розкладається водою, наприклад:

Сан 2 + 2Н 2 О → Са (ОН) 2 + 2Н 2 ↑,

Ca 3 N 2 + 6Н 2 О → 3Са (ОН) 2 + 2NH 3 ↑.

Іон Ca 2 + безбарвний. При внесенні в полум'я розчинних солей кальцію полум'я забарвлюється в цегляно-червоний колір.

Такі солі кальцію, як хлорид CaCl 2, бромід CaBr 2, йодид CaI 2 і нітрат Ca (NO 3) 2, добре розчиняються у воді. Нерозчинні у воді фторид CaF 2, карбонат CaCO 3, сульфат CaSO 4, ортофосфат Ca 3 (PO 4) 2, оксалат Сас 2 О 4 і деякі інші.

Важливе значення має та обставина, що, на відміну від карбонату кальцію СаСО 3, кислий карбонат кальцію (гідрокарбонат) Са (НСО 3) 2 у воді розчиняється. У природі це призводить до наступних процесів. Коли холодна дощова або річкова вода, насичена вуглекислим газом, проникає під землю і потрапляє на вапняки, то спостерігається їх розчинення:

СаСО3 + СО 2 + Н 2 О → Са (НСО 3) 2.

У тих же місцях, де вода, насичена гідрокарбонатом кальцію, виходить на поверхню землі і нагрівається сонячними променями, протікає зворотна реакція:

Са (НСО 3) 2 → СаСО 3 + СО 2 ↑ + Н 2 О.

Так у природі відбувається перенесення великих мас речовин. В результаті під землею можуть утворитися величезні провали, а в печерах утворюються красиві кам'яні " бурульки "- сталактити і сталагміти.

Наявність у воді розчиненого гідрокарбонату кальцію багато в чому визначає тимчасову жорсткість води. Тимчасової її називають тому, що при кип'ятінні води гідрокарбонат розкладається, і в осад випадає СаСО 3. Це явище призводить, наприклад, до того, що в чайнику з часом утворюється накип.


5. Застосування

5.1. Застосування металевого кальцію

Головне застосування металевого кальцію - це використання його як відновника при отриманні металів, особливо нікелю, міді та нержавіючої сталі. Кальцій і його гідрид використовуються також для отримання трудновосстанавліваемих металів, таких, як хром, торій та уран. Сплави кальцію з свинцем знаходять застосування в акумуляторних батареях і підшипникових сплавах. Кальцієві гранули використовуються також для видалення слідів повітря з електровакуумних приладів.


5.1.1. Металлотермія

Чистий металевий кальцій широко застосовується в Металлотермія при отриманні рідкісних металів.

5.1.2. Легування сплавів

Чистий кальцій застосовується для легування свинцю, що йде на виготовлення акумуляторних пластин, необслуговуваних стартерних свинцево-кислотних акумуляторів з малим саморазрядом. Також металевий кальцій йде на виробництво якісних кальцієвих бабітів БКА.

5.1.3. Ядерний синтез

Ізотоп 48 Ca - найбільш ефективний і уживаний матеріал для виробництва надважких елементів і відкриття нових елементів таблиці Менделєєва. Наприклад, у разі використання іонів 48 Ca для отримання надважких елементів на прискорювачах ядра цих елементів утворюються в сотні і тисячі разів ефективніше, ніж при використанні інших "снарядів" (іонів).


5.2. Застосування сполук кальцію

5.2.1. Гідрид кальцію

Нагріванням кальцію в атмосфері водню отримують CaH 2 ( гідрид кальцію), що використовується в металургії (Металлотермія) і при отриманні водню в польових умовах.

5.2.2. Оптичні та лазерні матеріали

Фторид кальцію ( флюорит) застосовується у вигляді монокристалів у оптиці (астрономічні об'єктиви, лінзи, призми) і як лазерний матеріал. Вольфрамати кальцію ( шеєліт) у вигляді монокристалів застосовується в лазерній техніці, а також як сцинтилятор.


5.2.3. Карбід кальцію

Карбід кальцію CaC 2 широко застосовується для отримання ацетилену і для відновлення металів, а також при отриманні ціанаміду кальцію (нагріванням карбіду кальцію в азоті при 1200 C, реакція йде екзотермічно, проводиться в ціанамідних печах).

5.2.4. Хімічні джерела струму

Кальцій, а також його сплави з алюмінієм і магнієм використовуються в резервних теплових електричних батареях в якості анода (наприклад кальцій-хроматних елемент). Хромат кальцію використовується в таких батареях як катода. Особливість таких батарей - надзвичайно довгий термін зберігання (десятиліття) в придатному стані, можливість експлуатації в будь-яких умов (космос, високі тиску), велика питома енергія за вагою й обсягом. Недолік в недовгому терміні дії. Такі батареї використовуються там, де необхідно на короткий термін створити колосальну електричну потужність (балістичні ракети, деякі космічні апарати и.др.).


5.2.5. Вогнетривкі матеріали

Оксид кальцію, як у вільному вигляді, так і в складі керамічних сумішей, застосовується у виробництві вогнетривких матеріалів.

5.2.6. Лікарські засоби

Сполуки кальцію широко застосовуються як антигістамінного кошти.

Крім того, сполуки кальцію вводять до складу препаратів для профілактики остеопорозу, у вітамінні комплекси для вагітних і літніх.


6. Біологічна роль

Кальцій - поширений макроелемент в організмі рослин, тварин і людини. В організмі людини та інших хребетних більша його частина міститься в скелеті і зубах у вигляді фосфатів. З різних форм карбонату кальцію (вапна) складаються скелети більшості груп безхребетних (губки, коралові поліпи, молюски та ін.) Іони кальцію беруть участь у процесах згортання крові, а також у забезпеченні постійного осмотичного тиску крові. Іони кальцію також служать одним з універсальних вторинних посередників і регулюють найрізноманітніші внутрішньоклітинні процеси - м'язове скорочення, екзоцитоз, у тому числі секрецію гормонів і нейромедіаторів та ін Концентрація кальцію в цитоплазмі клітин людини становить близько 10 -7 моль, в міжклітинних рідинах близько 10 -3 моль.

Потреба в кальції залежить від віку. Для дорослих необхідна денна норма становить від 800 до 1000 міліграмів (мг), а для дітей від 600 до 900 мг, що для дітей дуже важливо через інтенсивне зростання скелета. Велика частина кальцію, що надходить в організм людини з їжею, міститься в молочних продуктах, що залишився кальцій припадає на м'ясо, рибу, і деякі рослинні продукти (особливо багато містять бобові). Всмоктування відбувається як у товстому, так і тонкому кишечнику і полегшується кислим середовищем, вітаміном Д і вітаміном С, лактозою, ненасиченими жирними кислотами. Важлива роль магнію в кальциевом обміні, при його нестачі кальцій "вимивається" з кісток і осідає в нирках (ниркові камені) і м'язах.

Засвоюванню кальцію перешкоджають аспірин, щавлева кислота, похідні естрогенів. З'єднуючись з щавлевої кислотою, кальцій дає нерозчинні у воді сполуки, які є компонентами каменів у нирках.

Вмісту кальцію в крові через велику кількість пов'язаних з ним процесів точно регулюється, і при правильному харчуванні дефіциту не виникає. Тривала відсутність в раціоні може викликати судоми, біль у суглобах, сонливість, дефекти зростання, а також запори. Більш глибокий дефіцит призводить до постійних м'язовим судом і остеопорозу. Недолік кальцію може викликати безліч захворювань . Зловживання кави і алкоголем можуть бути причинами дефіциту кальцію, тому що частина його виводиться з сечею.

Надлишкові дози кальцію і вітаміну Д можуть викликати гіперкальцемія, після якої слід інтенсивна кальцифікація кісток і тканин (в основному зачіпає сечовидільну систему). Тривалий надлишок порушує функціонування м'язових і нервових тканин, збільшує згортання крові і зменшує засвоюваність цинку клітинами кісткової тканини. Максимальна денна доза безпечна становить для дорослого від 1500 до 1800 міліграмів.


6.1. Довідка

Вміст кальцію в продуктах харчування:

Продукт Зміст, мг/100 г
Мак 1460
Кунжут 670 - 975
Сир типу емменталь 970
Тахіна (кунжутна) халва 760
Плавлений сир 760
Сир типу гауда або чеддер 730
Кропива 713
Бринза 530
Проскурник лісової 505
Сардини в маслі (консерви) 500
Соєвий сир ( тофу) 450
Подорожник великий 412
Галінсога 372
Насіння соняшнику 367
Сардини в олії 330
Будра плющевидная 289
Шипшина собачий 257
Мигдаль 252 - 273
Подорожник ланцетолістний 248
Петрушка 245
Лісовий горіх 226
Амарант, насіння 214
Кресс-салат 214
Кале 212
Соя боби (сухі) 201
Молоко овече 170
Молоко коров'яче 120
Лосось (консерви) 91
Сир 80
Листовий салат 77
Квасоля червона 71

Малий вміст кальцію: риба (30-90); хліб з висівками (60), хліб пшеничний (37), а м'ясо, субпродукти, крупи (менше 50), буряк (37), морква (46).

Більш повна інформація про кальцій у харчових продуктах на сайті USDA.gov

Рекомендовані Всесвітньою Організацією Охорони Здоров'я добові норми споживання кальцію [4].

Діти до 3 років - 600 мг.

Діти від 4 до 10 років - 800 мг.

Діти від 10 до 13 років - 1000 мг.

Підлітки від 13 до 16 років - 1200 мг.

Молодь від 16 і старше - 1000 мг.

Дорослі від 25 до 50 років - від 800 до 1200 мг.

Вагітні та годують грудьми жінки - від 1500 до 2000 мг.


Примітки

  1. Редкол.: Кнунянц І. Л. (гл. ред.) Хімічна енциклопедія: у 5 т - Москва: Радянська енциклопедія, 1990. - Т. 2. - С. 293. - 671 с. - 100000 прим .
  2. JP Riley and Skirrow G. Chemical Oceanography V. 1, 1965
  3. Газета.Ру: Елементи під тиском - www.gazeta.ru/science/2010/04/07_a_3348350.shtml
  4. добові норми споживання кальцію - www.euro.who.int/__data/assets/pdf_file/0018/74421/E82161R.pdf

Література

  • Доронін. Н. А. Кальцій, Госхіміздат, 1962. 191 стор з іл.
Періодична система хімічних елементів Д. І. Менделєєва
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
1 H He
2 Li Be B C N O F Ne
3 Na Mg Al Si P S Cl Ar
4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
6 Cs Ba La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
7 Fr Ra Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo
Лужні метали Лужноземельні метали Лантаноїди Актиноїди Перехідні метали Інші метали Металоїди Інші неметали Галогени Інертні гази
Електрохімічний ряд активності металів

Eu, Sm, Li, Cs, Rb, K, Ra, Ba, Sr, Ca, Na, Ac, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Gd, Tb, Mg, Y, Dy, Am, Ho, Er, Tm, Lu, Sc, Pu, Th, Np, U, Hf, Be, Al, Ti, Zr, Yb, Mn, V, Nb, Pa, Cr, Zn, Ga, Fe, Cd, In, Tl, Co, Ni, Te, Mo, Sn, Pb, H 2, W, Sb, Bi, Ge, Re, Cu, Tc, Te, Rh, Po, Hg, Ag, Pd, Os, Ir, Pt, Au

Елементи розташовані в порядку зростання стандартного електродного потенціалу.

Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru