КАЛЬЦИЙ

Загрузка...

Кальций (Calcium), Ca, химический элемент II группы периодической системы Менделеева, атомный номер 20, атомная масса 40,08; серебряно-белый лёгкий металл. Природный элемент представляет смесь шести стабильных изотопов:40Ca, 42Ca, 43Ca, 44Ca, 46Ca и 48Ca, из которых наиболее распространён 40Ca (96, 97%).

Соединения Ca - известняк, мрамор, гипс (а также известь - продукт обжига известняка) уже в глубокой древности применялись в строительном деле. Вплоть до конца 18 в. химики считали известь простым телом. В 1789 А. Лавуазьепредположил, что известь, магнезия, барит, глинозём и кремнезём - вещества сложные. В 1808 Г. Дэви, подвергая электролизу с ртутным катодом смесь влажной гашёной извести с окисью ртути, приготовил амальгаму Ca, а отогнав из неё ртуть, получил металл, названный "кальций" (от лат. calx, родительный падеж calcis - известь).

Распространение в природе. По распространённости в земной коре Ca занимает 5-е место (после О, Si, Al и Fe); содержание 2,96% по массе. Он энергично мигрирует и накапливается в различных геохимических системах, образуя 385 минералов (4-е место по числу минералов). В мантии Земли Ca мало и, вероятно, ещё меньше в земном ядре (в железных метеоритах 0,02%). Ca преобладает в нижней части земной коры, накапливаясь в основных породах; большая часть Ca заключена в полевом шпате - анортите Ca [Al2Si2O8]; содержание в основных породах 6,72%, в кислых (граниты и др.) 1,58%. В биосфере происходит исключительно резкая дифференциация Ca, связанная главным образом с "карбонатным равновесием": при взаимодействии углекислого газа с карбонатом CaCO3 образуется растворимый бикарбонат Са (НСО3)2:

СаСО3 + H2O + CO2 Û Са (НСО3)2 Û Ca2+ + 2HCO3-.

Эта реакция обратима и является основой перераспределения Ca. При высоком содержании CO2 в водах Ca находится в растворе, а при низком содержании CO2 в осадок выпадает минерал кальцит СаСОз, образуя мощные залежи известняка, мела, мрамора.

Огромную роль в истории Ca играет и биогенная миграция. В живом веществе из элементов - металлов Ca - главный. Известны организмы, которые содержат более 10% Ca (больше углерода), строящие свой скелет из соединений Ca, главным образом из СаСО3 (известковые водоросли, многие моллюски, иглокожие, кораллы, корненожки и т.д.). С захоронением скелетов морских животных и растений связано накопление колоссальных масс водорослевых, коралловых и прочих известняков, которые, погружаясь в земные глубины и минерализуясь, превращаются в различные виды мрамора.

Огромные территории с влажным климатом (лесные зоны, тундра) характеризуются дефицитом Ca - здесь он легко выщелачивается из почв. С этим связано низкое плодородие почв, низкая продуктивность домашних животных, их малые размеры, нередко болезни скелета. Поэтому большое значение имеет известкование почв, подкормка домашних животных и птиц и т.д. Напротив, в сухом климате СаСО3 трудно растворим, поэтому ландшафты степей и пустынь богаты Ca. В солончаках и солёных озёрах часто накапливается гипс CaSO4·2H2O.

Реки приносят в океан много Ca, но он не задерживается в океанической воде (ср. содержание 0,04%), а концентрируется в скелетах организмов и после их гибели осаждается на дно преимущественно в форме СаСО3. Известковые илы широко распространены на дне всех океанов на глубинах не более 4000 м (на больших глубинах происходит растворение СаСО3, организмы там нередко испытывают дефицит Ca).

Важную роль в миграции Ca играют подземные воды. В известняковых массивах они местами энергично выщелачивают СаСО3, с чем связано развитие карста, образование пещер, сталактитов и сталагмитов. Помимо кальцита, в морях прошлых геологических эпох было широко распространено отложение фосфатов Ca (например, месторождения фосфоритов Каратау в Казахстане), доломита СаСО3·MgCO3, а в лагунах при испарении -гипса.

В ходе геологической истории росло биогенное карбонатообразование, а химическое осаждение кальцита уменьшалось. В докембрийских морях (свыше 600 млн. лет назад) не было животных с известковым скелетом; они приобрели широкое распространение начиная с кембрия (кораллы, губки и т.д.). Это связывают с высоким содержанием CO2 в атмосфере докембрия.

Физические и химические свойства. Кристаллическая решётка a-формы Ca (устойчивой при обычной температуре) гранецентрированная кубическая а = 5,56 . Атомный радиус 1,97 , ионный радиус Ca2+, 1,04 . Плотность 1,54 г/см3 (20 °C). Выше 464 ?C устойчива гексагональная b-форма. tпл 851?C, tkип 1482 ?C; температурный коэффициент линейного расширения 22×10-6 (0-300 ?C); теплопроводность при 20 ?C 125,6 Вт/(м×К) или 0,3 кал/(см×сек°C); удельная теплоёмкость (0-100 °C) 623,9 дж/(кг×К) или 0,149 кал/(г×?C); удельное электросопротивление при 20?C 4,6×10-8ом×м или 4,6×10-6 ом×см; температурный коэффициент электросопротивления 4,57×10-3 (20 ?C). Модуль упругости 26 Гн/м2 (2600 кгс/мм2); предел прочности при растяжении 60 Мн/м2 (6 кгс/мм2); предел упругости 4 Мн/м2 (0,4 кгс/мм2), предел текучести 38 Мн/м2 (3,8 кгс/мм2); относительное удлинение 50%; твердость по Бринеллю 200-300 Мн/м2(20-30 кгс/мм2). К. достаточно высокой чистоты пластичен, хорошо прессуется, прокатывается и поддается обработке резанием.

Конфигурация внешней электронной оболочки атома Ca 4s2, в соответствии с чем Ca в соединениях 2-валентен. Химически Ca очень активен. При обычной температуре Ca легко взаимодействует с кислородом и влагой воздуха, поэтому его хранят в герметически закрытых сосудах или под минеральным маслом. При нагревании на воздухе или в кислороде воспламеняется, давая основной окисел CaO (см. Кальция окись). Известны также перекиси Ca - CaO2 и СаО4. С холодной водой Ca взаимодействует сначала быстро, затем реакция замедляется вследствие образования пленки Ca (OH)2 (см. Кальция гидроокись). Ca энергично взаимодействует с горячей водой и кислотами, выделяя H2(кроме концентрированной HNO3). С фтором реагирует на холоду, а с хлором и бромом - выше 400 °C, давая соответственно CaF2, CaCl2 и CaBr2 (см. Кальция фторид, Кальция хлорид, Кальция бромид). Эти галогениды в расплавленном состоянии образуют с Ca так называемого субсоединения - CaF, CaCI, в которых Ca формально одновалентен. При нагревании Ca c серой получается кальция сульфид CaS, последний присоединяет серу, образуя полисульфиды (CaS2, CaS4 и др.). Взаимодействуя с сухим водородом при 300-400 ?C Ca образует гидрид CaH2 - ионное соединение, в котором водород является анионом. При 500 ?C Ca и азот дают нитрид Ca3N2; взаимодействие Ca с аммиаком на холоду приводит к комплексному аммиакату Ca [NH3]6. При нагревании без доступа воздуха с графитом, кремнием или фосфором Ca дает соответственно карбид кальция CaC2, силициды CaSi2 и фосфид Ca3P2. Ca образует интерметаллические соединения с Al, Ag, Au, Cu, Li, Mg, Pb, Sn и др.

Получение и применение. В промышленности Ca получают двумя способами: 1) нагреванием брикетированной смеси CaO и порошка Al при 1200 °C в вакууме 0,01-0,02 мм рт. ст.; выделяющиеся по реакции: 6CaO +2Al = 3 СаО×l2O3 + 3Са пары Ca конденсируются на холодной поверхности; 2) электролизом расплава CaCl2 и KCl с жидким медно-кальциевым катодом приготовляют сплав Cu - Ca (65% Ca), из которого Ca отгоняют при температуре 950-1000 °C в вакууме 0,1-0,001 мм рт. ст.

В виде чистого металла Ca применяют как восстановитель U, Th, Cr, V, Zr, Cs, Rb и некоторых редкоземельных металлов из их соединений. Его используют также для раскисления сталей, бронз и др. сплавов, для удаления серы из нефтепродуктов, для обезвоживания органических жидкостей, для очистки аргона от примеси азота и в качестве поглотителя газов в электровакуумных приборах. Большое применение в технике получили антифрикционные материалы системы Pb-Na-Ca, а также сплавы Pb-Ca, служащие для изготовления оболочки электрических кабелей. Сплав Ca-Si-Ca (силикокальций) применяется как раскислитель и дегазатор в производстве качественных сталей. О применении соединений К. см. в соответствующих статьях.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Урок как основная форма обучения