Кальций — химический элемент¶

Кальций (Ca, от лат. calcium — известь; атомный номер 20) — химический элемент второй группы (по устаревшей классификации — второй группы главной подгруппы) периодической системы Д. И. Менделеева, относится к щёлочноземельным металлам. В природе распространён широко: входит в состав многочисленных минералов, морской воды, горных пород, а также живых организмов. По распространённости в земной коре занимает пятое место (около 3,6 % массы).

¶Свойства

Кальций — мягкий металл серебристо-белого цвета, плотность 1,55 г/см³, температура плавления 842 °C, кипения 1484 °C. В чистом виде достаточно пластичен, легко режется ножом. На воздухе быстро покрывается оксидной плёнкой, при горении даёт ярко-жёлтое пламя. Химически активен: реагирует с кислородом, галогенами, серой, азотом. С водой взаимодействует медленно, образуя гидроксид и выделяя водород; с кислотами — бурно. Образует два устойчивых оксида: CaO (оксид кальция, негашёная известь) и CaO₂ (пероксид кальция).

В природе кальций встречается только в связанном состоянии — в виде соединений. Наиболее распространённые минералы: кальцит и арагонит (CaCO₃), гипс (CaSO₄·2H₂O), фторапатит (Ca₅(PO₄)₃F), доломит (CaMg(CO₃)₂). Известняк и мрамор — промышленные источники получения соединений кальция.

¶История открытия

Соединения кальция были известны с древности: известь использовалась для побелки и приготовления цементов ещё в Древнем Египте и Риме. В 1789 году Антуан Лавуазье включил известь в список «земель» — простых веществ, не поддающихся разложению. Первым металлический кальций получил в чистом виде Гumphry Дэви в 1808 году электролизом расплава извести с добавкой хлорида ртути. В России изучением химии кальция занимались Н. Н. Бекетов (получение металла восстановлением) и другие исследователи XIX века.

¶Получение

В промышленности кальций получают электролизом расплавленного хлорида кальция CaCl₂. Лабораторные методы включают восстановление оксида кальция алюминием или кремнием при высоких температурах. Основные потребители металлического кальция — производство легированных сплавов, а также дегазация расплавленных металлов (кальций связывает примеси серы, азота, фосфора).

¶Применение

Соединения кальция имеют гораздо более широкое применение, чем металл:

• Строительство. Оксид кальция (известь) и гидроксид кальция (гашёная известь) применяются в производстве цемента, силикатного кирпича, строительных растворов. Карбонат кальция — основа известняка, мрамора, мела, используемых как строительный и облицовочный материал.
• Химическая промышленность. CaO применяется как флюс в металлургии, для нейтрализации кислых отходов, в производстве соды (метод Леблана и содовый процесс Сольве).
• Сельское хозяйство. Известь применяется для раскисления почв, карбонат кальция — кормовая добавка, источник кальция для животных.
• Пищевая промышленность. Карбонат кальция зарегистрирован как пищевая добавка Е509, используется как регулятор кислотности и антислёживающий агент.
• Медицина и фармация. Соли кальция (глюконат, карбонат, лактат) применяются как лекарственные средства при гипокальциемии, а также в качестве антацидов.
• Электротехника. Пероксид кальция и сплавы кальция с никелем используются в электродах газоразрядных приборов.

¶Роль в природе и живых организмах

Кальций — один из ключевых макроэлементов биосферы. В живых организмах он выполняет несколько функций:

• Структурная. Основа костей и зубов — гидроксиапатит Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂. В организме взрослого человека содержится около 1000–1200 г кальция, из них 99 % — в костной ткани.
• Физиологическая. Ионы Ca²⁺ участвуют в передаче нервных импульсов, сокращении мышц, свёртывании крови, регуляции сердечного ритма, секреции гормонов и нейромедиаторов.
• Регуляторная. Уровень кальция в крови (норма — 2,25–2,5 ммоль/л) поддерживается паратгормоном, кальцитонином и активной формой витамина D (кальцитриолом).

Дефицит кальция (гипокальциемия) приводит к остеопорозу, мышечным судорогам, нарушению свёртываемости крови. Избыток (гиперкальциемия) сопровождается тошнотой, почечными камнями, нарушениями сердечного ритма. Суточная потребность взрослого человека — 800–1200 мг. Основные пищевые источники: молочные продукты, рыба с костями, капуста, бобовые, орехи.

¶Изотопы

Известно около 26 изотопов кальция с массовыми числами от 34 до 54. Наиболее распространённый природный изотоп — ⁴⁰Ca (96,94 %), образующийся в том числе при распаде радиоактивного ⁴⁰Ar. Стабильные изотопы ⁴²Ca, ⁴³Ca, ⁴⁴Ca, ⁴⁶Ca, ⁴⁸Ca составляют оставшиеся ~3 %. Радиоактивный ⁴¹Ca применяется в геохронологии для датирования горных пород. Изотоп ⁴⁵Ca (период полураспада 163 суток) используется в биологических и медицинских исследованиях.

¶Интересные факты

• По химической активности кальций занимает промежуточное положение между щелочными металлами и магнием.
• Название «кальций» связано с латинским словом для обозначения извести, что подчёркивает историческую связь элемента с карбонатными породами.
• Кальций входит в число химических элементов, названных в честь небесных тел: его символ Ca совпадает с сокращением названия астероида (341) Калиопа не имеет отношения к элементу, однако сам элемент был назван по извести, а не по небесному телу.

Источники:

• Периодическая таблица химических элементов Д. И. Менделеева
• Великий, Хомченко, Хомченко «Химия для поступающих в вузы»
• Кнунянц и др. «Химическая энциклопедия», т. 2
• Рабинович, Хомченко «Химия для абитуриентов»
• Справочник «CRC Handbook of Chemistry and Physics»