Кальций — щёлочноземельный металл¶
Кальций (лат. Calcium) — химический элемент 2-й группы периодической таблицы Менделеева, атомный номер 20, относится к классу щёлочноземельных металлов. В природе кальций — пятый по распространённости элемент в земной коре (содержание около 3,6 % по массе). В чистом виде представляет собой серебристо-белый металл с характерным желтоватым оттенком, достаточно мягкий (по твёрдости сопоставим с медью), легко поддающийся обработке ножом.
¶Физические и химические свойства
Кальций обладает низкой плотностью (1,55 г/см³) — это один из самых лёгких металлов. Температура плавления — 842 °C, кипения — 1484 °C. Электрическая проводимость примерно в 30 раз ниже, чем у меди, но достаточна для практического применения.
Химически кальций активен: на воздухе быстро покрывается тонкой плёнкой оксида и нитрида, поэтому хранят его под слоем минерального масла или в инертной атмосфере. С водой реагирует с образованием гидроксида кальция и водорода, причём реакция идёт значительно медленнее, чем у щелочных металлов. С кислородом образует CaO (негашёная известь), с азотом — Ca₃N₂, с серой — CaS. При горении даёт насыщенно-красное пламя, что позволяет использовать кальций в пиротехнике.
Основные окислительные состояния: +2 (устойчивое) и +1 (редко, в соединениях типа Ca₂). Электронная конфигурация атома — [Ar]4s².
¶Происхождение названия
Латинское название calcium происходит от calx — «известь, мел». Впервые элемент был выделен в чистом виде в 1808 году английским химиком Гемфри Дэви методом электролиза смеси извести с оксидом ртути. Дэви получил небольшое количество металлического кальция и назвал его calcium. До этого известь (CaO) и гипс (CaSO₄·2H₂O) были известны с античности, однако сам металл оставался недоступным.
¶Нахождение в природе
Кальций — один из ключевых элементов литосферы. Основные рудные минералы:
- Кальцит и мрамор — CaCO₃;
- Гипс — CaSO₄·2H₂O;
- Флюорит — CaF₂;
- Апатит — Ca₅(PO₄)₃(F,Cl,OH) — главный источник фосфорных удобрений;
- Волластонит — CaSiO₃.
Содержащие кальций минералы образуют основу осадочных пород: известняки, мел, мрамор. Морская вода содержит растворённые ионы Ca²⁺ (около 0,4 г/л). Кальций входит в состав многих силикатных пород, однако из-за высокой растворимости большинства его соединений в природных водах он быстро вымывается и переходит в осадочные формации.
¶Получение
Промышленный способ получения кальция — электролиз расплавленного хлорида кальция CaCl₂ с добавлением CaF₂ для снижения температуры плавления. Альтернативный метод — восстановление извести алюминием в вакууме:
6 CaO + 2 Al → 3 Ca + Al₂O₃
Металлический кальций поставляется в виде гранул, проволоки, чушек и порошка. В России производством кальция занимается ряд предприятий химической промышленности, в том числе в Челябинской и Ленинградской областях.
¶Биологическая роль
Кальций — макроэлемент, жизненно необходимый для живых организмов. В организме взрослого человека содержится около 1–1,5 кг кальция, из которых 99 % приходится на костную ткань и зубы в форме гидроксиапатита Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂. Оставшийся 1 % циркулирует в крови и клеточных жидкостях, участвуя в:
- сокращении мышц;
- передаче нервных импульсов;
- свёртывании крови;
- регуляции сердечного ритма;
- активации ряда ферментов.
Дефицит кальция приводит к остеопорозу, мышечным судорогам, нарушению свёртываемости крови. Суточная норма для взрослого — 1000–1200 мг. Основные пищевые источники: молочные продукты, рыба с костями, зелень, бобовые.
¶Применение
- Металлургия — раскисление стали, производство легированных сплавов (свинцово-кальциевые аноды для аккумуляторов).
- Химическая промышленность — восстановитель при синтезе редкоземельных элементов, получение нитрида кальция.
- Строительство — известь CaO и гашёная известь Ca(OH)₂ используются в цементах, штукатурных смесях, для нейтрализации кислых почв.
- Пищевая промышленность — добавка E170 (карбонат кальция) как антислёживающий агент и источник кальция.
- Медицина — препараты кальция при гипокальциемии, антациды на основе карбоната кальция.
- Пиротехника — соли кальция придают пламени красный цвет.
¶Изотопы
Известно 24 изотопа кальция с массовыми числами от 35 до 58. Стабильных два: ⁴⁰Ca (96,94 %) и ⁴²Ca (0,65 %). Наиболее распространённый изотоп ⁴⁰Ca одновременно является продуктом распада радиоактивного ⁴⁰K — на этом основан метод калий-аргонного датирования горных пород, важнейший инструмент геохронологии.
¶Интересные факты
- Кальций входит в тройку наиболее распространённых элементов в земной коре после кислорода и кремния.
- Пламя горящего кальция даёт насыщенно-красный цвет — по этому признаку его легко отличить от стронция, дающего более тёмно-красное пламя.
- Название «известь» и «кальций» имеют общий латинский корень, что отражает историю открытия: металл был выделен из хорошо известного соединения.
¶Источники
- Периодическая таблица химических элементов Д. И. Менделеева
- Г. Н. Маслов, «Неорганическая химия», учебник
- Справочник «Химическая энциклопедия», т. 2
- «Большая медицинская энциклопедия», статья «Кальций»
- Рудзитис Г. Е., Фельдман Ф. Г., «Химия. 11 класс»