Кальций, свойства атома, химические и физические свойства

Физические свойства кальция:

400	Физические свойства
401	Плотность*	1,55 г/см3 (при 0 °C/20 °C и иных стандартных условиях, состояние вещества – твердое тело), 1,378 г/см3 (при 842 °C и иных стандартных условиях, состояние вещества – жидкость)
402	Температура плавления*	842 °C (1115 K, 1548 °F)
403	Температура кипения*	1484 °C (1757 K, 2703 °F)
404	Температура сублимации
405	Температура разложения
406	Температура самовоспламенения смеси газа с воздухом
407	Удельная теплота плавления (энтальпия плавления ΔHпл)*	8,54 кДж/моль
408	Удельная теплота испарения (энтальпия кипения ΔHкип)*	154,7 кДж/моль
409	Удельная теплоемкость при постоянном давлении	0,656 Дж/г·K (при 25 °C)
410	Молярная теплоёмкость*	25,929 Дж/(K·моль)
411	Молярный объём	29,9 см³/моль
412	Теплопроводность	201  Вт/(м·К) (при стандартных условиях), 201  Вт/(м·К) (при 300 K)
413	Коэффициент теплового расширения	22,3 мкм/(М·К) (при 25 °С)
414	Коэффициент температуропроводности
415	Критическая температура
416	Критическое давление
417	Критическая плотность
418	Тройная точка
419	Давление паров (мм.рт.ст.)
420	Давление паров (Па)
421	Стандартная энтальпия образования ΔH
422	Стандартная энергия Гиббса образования ΔG
423	Стандартная энтропия вещества S
424	Стандартная мольная теплоемкость Cp
425	Энтальпия диссоциации ΔHдисс
426	Диэлектрическая проницаемость
427	Магнитный тип
428	Точка Кюри
429	Объемная магнитная восприимчивость
430	Удельная магнитная восприимчивость
431	Молярная магнитная восприимчивость
432	Электрический тип
433	Электропроводность в твердой фазе
434	Удельное электрическое сопротивление
435	Сверхпроводимость при температуре
436	Критическое магнитное поле разрушения сверхпроводимости
437	Запрещенная зона
438	Концентрация носителей заряда
439	Твёрдость по Моосу
440	Твёрдость по Бринеллю
441	Твёрдость по Виккерсу
442	Скорость звука
443	Поверхностное натяжение
444	Динамическая вязкость газов и жидкостей
445	Взрывоопасные концентрации смеси газа с воздухом, % объёмных
446	Взрывоопасные концентрации смеси газа с кислородом, % объёмных
446	Предел прочности на растяжение
447	Предел текучести
448	Предел удлинения
449	Модуль Юнга
450	Модуль сдвига
451	Объемный модуль упругости
452	Коэффициент Пуассона
453	Коэффициент преломления

Физические свойства неметаллов

Неметаллы – химические элементы, атомы которых стремятся принять чужие электроны. Для них характерны атомные и молекулярные кристаллические решетки. Для атомов неметаллов не характерны общие физические свойства. На данный момент существует 22 неметалла.

Для неметаллов характерен ряд свойств:

• хрупкость (неметаллы нельзя ковать);
• отсутствие блеска;
• непроводимость электрического тока и тепла.

Расположение металлов и неметаллов в периодической таблице Д.И. Менделеева

Определить, является простое вещество металлом или неметаллом, можно с помощью периодической таблицы Менделеева. Металлы располагаются ниже диагонали «водород-бор- кремний-мышьяк-теллур-астат», а неметаллы выше.

Красные ячейки – неметаллы, синие – металлы

Элементы, расположенные вблизи диагонали, обладают смешанными свойствами: проявляют как металлические, так и неметаллические свойства. Они называются полуметаллами.

Красные ячейки – полуметаллы

Полуметаллы имеют ковалентную кристаллическую решетку при наличии металлической проводимости (электропроводности). Валентных электронов у них либо недостаточно для образования полноценной ковалентной связи, либо они не удерживаются достаточно прочно из-за больших размеров атома. Поэтому связь в ковалентных кристаллах этих элементов имеет частично металлический характер.

Закономерности в таблице Д.И. Менделеева

Каждый атом состоит из протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны находятся в ядре, который несет положительный заряд. Вокруг ядра движутся отрицательно заряженные электроны. Атомный номер указывает на количество протонов.

Чем больше заряд ядра, тем сильнее к нему притягиваются электроны. Т.о., атому сложнее отдавать электроны. Поэтому в периоде слева направо, с увеличением порядкового номера металлические свойства ослабевают, а неметаллические – усиливаются.

Неметаллы стремятся принять электроны от других атомов. Период в таблице указывает на количество электронных уровней. По мере увеличения числа орбиталей электроны отдаляются от ядра и атому сложнее удерживать электроны на последних уровнях. Т.о., в группе сверху вниз количество орбиталей возрастает, поэтому металлические свойства усиливаются, а неметаллические – уменьшаются.

Кальций радиоактивный

Известны 8 искусственных радиоактивных изотопов К.: ₃₇Са (Т1/2 0,17 сек.), ₃₈Са (T1/2 0,66 сек.), ₃₉Са (Т1/2 0,86 сек.), ₄₁Са (Т1/2 8*10₄ лет), ₄₅Са (Т1/2 153 дня), ₄₇Са (T1/2 4,7 дня), ₄₉Ca (Т1/2 8,5 мин.), ₅₀Са (Т1/2 9 сек.).

Практическое применение нашли 45Ca, обладающий бета-излучением с энергией 0,252 Мэв, и 47Са с бета-излучением двух энергий (0,67 и —2 Мэв) и гамма-излучением с энергией 1,3 Мэв, сопровождающим 74% распадов этого радионуклида.

45Ca получают в ядерном реакторе при облучении стабильного К. нейтронами. Этот радионуклид широко применяется в качестве радиоактивной метки в медицине и в экспериментальных медико-биол. исследованиях при изучении всасывания К. в кишечнике и распределения его в организме в норме и патологии, а также путей и скорости выведения К. из организма при разных способах поступления. Особенно широко используется 45Ca при изучении биохимии кости, а также механизмов трансплацентарного обмена. Метка 45Ca используется также в металлургии, в сельском хозяйстве — для решения вопросов движения влаги в почве, выщелачивания К. из почвы, оценки способов внесения удобрений и т. п. Реже в качестве радиоактивной метки применяют 47Са, получаемый на ускорителе. Этот радионуклид обладает тем преимуществом, что его 7-излучение легче поддается измерению, чем бета-излучение 45Ca; кроме того, имея более короткий период полураспада, он менее токсичен. В методе нейтронного активационного анализа используется образование других изотопов К., в частности 49Са.

Среднегодовая допустимая концентрация в воздухе рабочих помещений установлена: для 45Ca — 3,2*10-11, для 47Са — 1,7*10-10 кюри/л. Минимально значимая активность на рабочем месте, не требующая регистрации или получения разрешения органов Государственного сан. надзора, для обоих радионуклидов равна 10 мккюри.

Химические свойства

Кальций — типичный щёлочноземельный металл. Химическая активность кальция высока, но ниже, чем более тяжёлых щёлочноземельных 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 щёлочноземельные металлы, в плотно закрытой банке под слоем керосина или жидкого парафина.

В ряду стандартных потенциалов кальций расположен слева от водорода. Стандартный электродный потенциал пары Ca2+/Ca −2,84 В, так что кальций активно реагирует с водой, но без воспламенения:

 Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑

С активными неметаллами (кислородом, хлором, бромом, йодом) кальций реагирует при обычных условиях:

 2Ca + O₂ → 2CaO

 Ca + Br₂ → CaBr₂

При нагревании на воздухе или в кислороде кальций воспламеняется и горит красным пламенем с оранжевым оттенком («кирпично-красным»). С менее активными неметаллами (водородом, бором, углеродом, кремнием, азотом, фосфором и другими) кальций вступает во взаимодействие при нагревании, например:

 Ca + H₂ → CaH₂

 Ca + 6B → CaB₆

 3Ca + N₂ → Ca₃N₂

 Ca + 2C → CaC₂

 6Ca + P₄ → 2Ca₃P₂

 2Ca + Si → Ca₂Si

Кроме получающихся в этих реакциях фосфида кальция Ca₃P₂ и силицида кальция Ca₂Si, известны также фосфиды кальция составов CaP и CaP₅ и силициды кальция составов CaSi, Ca₃Si₄ и CaSi₂.

Протекание указанных выше реакций, как правило, сопровождается выделением большого количества теплоты. Во всех соединениях с неметаллами степень окисления кальция +2. Большинство из соединений кальция с неметаллами легко разлагается водой, например:

 CaH₂ + 2H₂O → Ca(OH)₂ + 2H₂↑

 Ca₃N₂ + 6H₂O → 3Ca(OH)₂ + 2NH₃↑

Ион Ca2+ бесцветен. При внесении в пламя растворимых солей кальция пламя окрашивается в кирпично-красный цвет.

Такие соли кальция, как хлорид CaCl₂, бромид CaBr₂, йодид CaI₂ и нитрат Ca(NO₃)₂, хорошо растворимы в воде. Нерастворимы в воде фторид CaF₂, карбонат CaCO₃, сульфат CaSO₄, ортофосфат Ca₃(PO₄)₂, оксалат CaC₂O₄ и некоторые другие.

Важное значение имеет то обстоятельство, что, в отличие от карбоната кальция CaCO3, кислый карбонат кальция (гидрокарбонат) Ca(HCO3)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, а в тех местах, где вода, насыщенная гидрокарбонатом кальция, выходит на поверхность земли и нагревается солнечными лучами, протекает обратная реакция

 CaCO₃ + CO₂ + H₂O ⇄ Ca(HCO₃)₂

Так в природе происходит перенос больших масс веществ. В результате под землёй могут образоваться огромные карстовые полости и провалы, а в пещерах образуются красивые каменные «сосульки» — сталактиты и сталагмиты.

Наличие в воде растворенного гидрокарбоната кальция во многом определяет вре́менную жёсткость воды. Вре́менной её называют потому, что при кипячении воды гидрокарбонат разлагается, и в осадок выпадает CaCO₃. Это явление приводит, например, к тому, что в чайнике со временем образуется накипь.

Металлы, неметаллы, металлоиды

Расположены в Периодической таблице слева от ступенчатой диагональной линии, которая начинается с Бора (В) и заканчивается полонием (Po) (исключение составляют германий (Ge) и сурьма (Sb). Нетрудно заметить, что металлы занимают бОльшую часть Периодической таблицы. Основные свойства металлов: твердые (кроме ртути); блестят; хорошие электро- и теплопроводники; пластичные; ковкие; легко отдают электроны.

Элементы, расположенные справа от ступенчатой диагонали B-Po, называются неметаллами
. Свойства неметаллов прямо противоположны свойствам металлов: плохие проводники тепла и электричества; хрупкие; нековкие; непластичные; обычно принимают электроны.

Металлоиды

Между металлами и неметаллами находятся полуметаллы
(металлоиды). Для них характерны свойства как металлов, так и неметаллов. Основное применение в промышленности полуметаллы нашли в производстве полупроводников, без которых немыслима ни одна современная микросхема или микропроцессор.

Свойства таблицы Менделеева

Напомним, что группами
называют вертикальные ряды в периодической системе и химические свойства элементов главных и побочных подгрупп значительно различаются.

Свойства элементов в подгруппах закономерно изменяются сверху вниз:

• усиливаются металлические свойства и ослабевают неметаллические;
• возрастает атомный радиус;
• возрастает сила образованных элементом оснований и бескислородных кислот;
• электроотрицательность падает.

Все элементы, кроме гелия, неона и аргона, образуют кислородные соединения, существует всего восемь форм кислородных соединений. В периодической системе их часто изображают общими формулами, расположенными под каждой группой в порядке возрастания степени окисления элементов: R 2 O, RO, R 2 O 3 , RO 2 , R 2 O 5 , RO 3 , R 2 O 7 , RO 4 , где символом R обозначают элемент данной группы. Формулы высших оксидов относятся ко всем элементам группы, кроме исключительных случаев, когда элементы не проявляют степени окисления, равной номеру группы (например, фтор).

Оксиды состава R 2 O проявляют сильные основные свойства, причём их основность возрастает с увеличением порядкового номера, оксиды состава RO (за исключением BeO) проявляют основные свойства. Оксиды состава RO 2 , R 2 O 5 , RO 3 , R 2 O 7 проявляют кислотные свойства, причём их кислотность возрастает с увеличением порядкового номера.

Элементы главных подгрупп, начиная с IV группы, образуют газообразные водородные соединения. Существуют четыре формы таких соединений. Их располагают под элементами главных подгрупп и изображают общими формулами в последовательности RH 4 , RH 3 , RH 2 , RH.

Соединения RH 4 имеют нейтральный характер; RH 3 — слабоосновный; RH 2 — слабокислый; RH — сильнокислый характер.

Напомним, что периодом
называют горизонтальный ряд элементов, расположенных в порядке возрастания порядковых (атомных) номеров.

В пределах периода с увеличением порядкового номера элемента:

• электроотрицательность возрастает;
• металлические свойства убывают, неметаллические возрастают;
• атомный радиус падает.

Количество электронов

Элемент находится в четвертом периоде таблицы Менделеева. Значит, электроны находятся рядом с ядром на четырех орбиталях:

• на первой — 2 e—;
• на второй — 8 e—;
• на третьей — 8 e—;
• на четвертой — 2 e—.

Электроны одинаковы по массе, силе заряда и строению, но имеют разные направления движения и траектории:

• s-электроны — вращаются вокруг собранных в ядро протонов и нейтронов, образуя сферу.
• p-электроны — описывают восьмерки по трем плоскостям.

В природе есть электроны, двигающиеся по более сложным схемам. Они описывают вокруг ядра двойные и четверные восьмерки в различных плоскостях. Но в атоме Ca их нет.

Если расписать строение с учетом электронных орбит, получится следующая формула: 1s22s22p63s23p64s2. Графическая формула (электронная конфигурация кальция) выглядит как 4s².

Благодаря двум свободным s-электронам на четвертом энергетическом уровне Ca химически активен. Он почти никогда не находится в свободном состоянии, соединяясь в природе с водой или кислородом.

Состав распространенных соединений кальция:

• CaO — известняк;
• Ca CO3 — известняк, мрамор, мел;
• CaSO 4 ·2H 2 O — гипс;
• cacl2 — пищевая добавка.

При взаимодействии с водой идет образование щелочи — гидроксида кальция. Реакция проходит с выделением водорода.

Каждый атом Ca присоединяет 2 группы OH. В результате формула гидроксида выглядит как Cа (OH)2.

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.

Что такое металлические и неметаллические свойства

Эти свойства зависят от способности элемента отдавать или притягивать к себе электроны

Важно запомнить одно правило, металлы – отдают электроны, а неметаллы – принимают. Соответственно металлические свойства – это способность определённого химического элемента отдавать свои электроны (с внешнего электронного облака) другому химическому элементу

Для неметаллов всё в точности наоборот. Чем легче неметалл принимает электроны, тем выше его неметаллические свойства.

Металлы никогда не примут электроны другого химического элемента. Такое характерно для следующих элементов;

• натрия;
• калия;
• лития;
• франция и так далее.

С неметаллами дела обстоят похожим образом. Фтор больше всех остальных неметаллов проявляет свои свойства, он может только притянуть к себе частицы другого элемента, но ни при каких условиях не отдаст свои. Он обладает наибольшими неметаллическими свойствами. Кислород (по своим характеристикам) идёт сразу же после фтора. Кислород может образовывать соединение с фтором, отдавая свои электроны, но у других элементов он забирает отрицательные частицы.

Список неметаллов с наиболее выраженными характеристиками:

1. фтор;
2. кислород;
3. азот;
4. хлор;
5. бром.

Неметаллические и металлические свойства объясняются тем, что все химические вещества стремятся завершить свой энергетический уровень. Для этого на последнем электронном уровне должно быть 8 электронов. У атома фтора на последней электронной оболочке 7 электронов, стремясь завершить ее, он притягивает ещё один электрон. У атома натрия на внешней оболочке один электрон, чтобы получить 8, ему проще отдать 1, и на последнем уровне окажется 8 отрицательно заряженных частиц.

Благородные газы не взаимодействуют с другими веществами именно из-за того, что у них завершён энергетический уровень, им не нужно ни притягивать, ни отдавать электроны.

Источники питания

Продукты, богатые кальцием, включают молочные продукты , такие как йогурт и сыр , сардины , лосось , соевые продукты, капусту и обогащенные хлопья для завтрака .

Из-за опасений по поводу долгосрочных неблагоприятных побочных эффектов, включая кальцификацию артерий и почечных камней , Институт медицины США (IOM) и Европейское управление по безопасности пищевых продуктов (EFSA) установили допустимые верхние уровни потребления (UL) для комбинированного питания и пищевых добавок. кальций. Согласно IOM, люди в возрасте 9–18 лет не должны превышать комбинированное потребление 3 г / день; в возрасте 19–50 лет — не более 2,5 г / день; для возраста 51 год и старше — не более 2 г / день. EFSA установило UL для всех взрослых на уровне 2,5 г / день, но решило, что информации для детей и подростков недостаточно для определения UL.

Технология получения

Конечный продукт промышленного производства – металлический кальций.

Металлический Кальций

Получение металла проходит двумя методами:

1. Электролиз. Расплавляют CaCl2, задействуя медно-кальциевый анод. Из полученного медно-кальциевого сплава (2:1) отгоняют металл.
2. Алюминотермия. Прокаливается смесь CaO и порошковый алюминий. Конденсат из кальциевых паров аккумулируется на охлаждаемой поверхности.

Для обоих способов получения металла требуется вакуум и 960-1900°С.

Единственный производитель кальция в Европе – Чепецкий механический завод. Его открыли в 1949 году для нужд отечественной урановой промышленности. Уже тогда СССР отработал процесс восстановления урана кальцием. Сегодняшний ассортимент шире.

Периоды и группы

Как уже говорилось выше, периодическая таблица состоит из семи периодов. В каждом периоде атомные номера элементов увеличиваются слева направо.

Свойства элементов в периодах изменяются последовательно: так натрий (Na) и магний (Mg), находящиеся в начале третьего периода, отдают электроны (Na отдает один электрон: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 ; Mg отдает два электрона: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2). А вот хлор (Cl), расположенный в конце периода, принимает один элемент: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 .

В группах же, наоборот, все элементы обладают одинаковыми свойствами. Например, в группе IA(1) все элементы, начиная с лития (Li) и заканчивая францием (Fr), отдают один электрон. А все элементы группы VIIA(17), принимают один элемент.

Некоторые группы настолько важны, что получили особые названия. Эти группы рассмотрены ниже.

Группа IA(1)
. Атомы элементов этой группы имеют во внешнем электронном слое всего по одному электрону, поэтому легко отдают один электрон.

Наиболее важные щелочные металлы — натрий (Na) и калий (K), поскольку играют важную роль в процессе жизнедеятельности человека и входят в состав солей.

Электронные конфигурации:

• Li
  — 1s 2 2s 1 ;
• Na
  — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 ;
• K
  — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1

Группа IIA(2)
. Атомы элементов этой группы имеют во внешнем электронном слое по два электрона, которые также отдают во время химических реакций. Наиболее важный элемент — кальций (Ca) — основа костей и зубов.

Электронные конфигурации:

• Be
  — 1s 2 2s 2 ;
• Mg
  — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 ;
• Ca
  — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2

Группа VIIA(17)
. Атомы элементов этой группы обычно получают по одному электрону, т.к. на внешнем электронном слое находится по пять элементов и до «полного комплекта» как раз не хватает одного электрона.

Наиболее известные элементы этой группы: хлор (Cl) — входит в состав соли и хлорной извести; йод (I) — элемент, играющий важную роль в деятельности щитовидной железы человека.

Электронная конфигурация:

• F
  — 1s 2 2s 2 2p 5 ;
• Cl
  — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 ;
• Br
  — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 5

Группа VIII(18).
Атомы элементов этой группы имеют полностью «укомплектованный» внешний электронный слой. Поэтому им «не надо» принимать электроны. И отдавать их они «не хотят». Отсюда — элементы этой группы очень «неохотно» вступают в химические реакции. Долгое время считалось, что они вообще не вступают в реакции (отсюда и название «инертный», т.е. «бездействующий»). Но химик Нейл Барлетт открыл, что некоторые из этих газов при определенных условиях все же могут вступать в реакции с другими элементами.

Электронные конфигурации:

• Ne
  — 1s 2 2s 2 2p 6 ;
• Ar
  — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 ;
• Kr
  — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6

Физико-химические характеристики

Кальций представлен двумя модификациями кубической решетки: с гране- и объемноцентрированной структурой.

Химические свойства проявляются при нагревании:

• Взаимодействие с горячей водой приводит к образованию водородного «фонтана». Но реакция проходит без взрывов или горения.
• Взаимодействует с кислотами, неметаллами, образуя соединения.
• Даже при комнатной температуре во влажном микроклимате покрывается пленкой.

Нагреваясь в кислороде либо на воздухе, кальций, его растворимые соли горят. Пламя получается красно-оранжевым. По цвету его легко отличить от других металлов.

Кальций в атмосфере аргона

Химическая активность вещества зашкаливает. Для устранения этого недостатка металл хранят в керосине, растопленном парафине либо закупоренном сосуде.

Свойства атома
Название, символ, номер	Ка́льций/Calcium (Ca), 20
Атомная масса (молярная масса)	40,078(4) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	4s2
Радиус атома	197 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	174 пм
Радиус иона	(+2e) 99 пм
Электроотрицательность	1,00 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	−2,76 В
Степени окисления	2
Энергия ионизации (первый электрон)	589,4 (6,11) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	1,55 г/см³
Температура плавления	1112 К; 838,85 °C
Температура кипения	1757 К; 1483,85 °C
Уд. теплота плавления	9,20 кДж/моль
Уд. теплота испарения	153,6 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	25,9 Дж/(K·моль)
Молярный объём	29,9 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	кубическая гранецентрированная
Параметры решётки	5,580 Å
Температура Дебая	230 K
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) (201) Вт/(м·К)
Номер CAS	7440-70-2

Под давлением он ведет себя как полупроводник, затем как металл, потом подобно сверхпроводнику. По проводимости в разы превосходит все химические элементы (например, ртуть – вшестеро).

Кальций в природе

Кальций является очень важной составной частью живой природы – большая
часть живых организмов может существовать благодаря именно ему. И человек тоже!. Кальций был известен ещё древним римлянам, которые оксид кальция
использовали для приготовления извести

Впервые этот элемент выделил сэр Хемфри Дэйвис
(Humphre Davy) в 1808 году

Кальций был известен ещё древним римлянам, которые оксид кальция
использовали для приготовления извести. Впервые этот элемент выделил сэр Хемфри Дэйвис
(Humphre Davy) в 1808 году.

В массе земной коры и солёной воде кальций находится на пятом месте среди
наиболее часто встречающихся элементов, хотя в природе он находится только в виде
соединений (известняк (карбонат кальция), гипс (сульфат кальция) и доломит). Кальций
содержится почти во всех неорганических связующих веществах!

Известняки делятся по составу и структуре. По структурным особенностям
различают брахиоподные, кристаллические, комковатые и известняки других видов. Если
разного вида примеси составляют более 50%, то их подразделяют на песчаники, глинистые,
кремнистые, доломиты и содержащие глаукониты известняки.

В основном известняки образуются в неглубоких морях. Более подробно их
подразделяют на биогенные (если происхождение биологическое), гомогенные,
кристаллические, а также на известняки смешанного происхождения.

Кальций используют в различных областях: в строительной промышленности из
известняка производят цемент и известь, в сахарной промышленности его используют для
очистки свекольного сока-сырца, в химической промышленности – для производства соды,
карбида кальция и минеральных удобрений. Применяют кальций и как добавку для улучшения
термической и химической стойкости стекла, а в сельском хозяйстве – для известкования
почвы, а также как добавку в корма скота. Медицина – это только одно из многих
направлений, в котором кальций может быть полезен человеку.

Кальцит (от греческого chal и латинского calx – кальций) –
один из самых распространённых на нашей планете минералов с очень многообразными
кристаллическими формами. Название минерала введено в 1845 году.

Кальцитам свойственна относительно низкая твёрдость и способность лёгко
вступать в реакцию со слабыми кислотами, например, с уксусной кислотой, а также они
прекрасно расщепляются. Реакция кальцита при соприкосновении с кислотами – один из явных
признаков при определении этого многообразного минерала.

Кальцит содержится в таких распространённых горных породах, как известняк
и мрамор. Кальцит вы встретите, наслаждаясь горячими источниками или любуясь
сталактитами и сталагмитами в пещерах. Кальцит – главная составляющая внешних скелетов
многих организмов, в том числе, планктона, части раковин, например, панциря устриц.

Карбонат кальция (CaCO₃) – наиболее часто встречающаяся часть
медикаментов кальция. Это белое кристаллическое вещество, широко встречающееся в природе
в виде известняка и доломита.

Карбонат кальция плохо растворяется, однако встречается и в жёсткой воде.
Он реагирует с сильными кислотами, выделяя CO₂.

Химический свойства

Является типичным представителем семейства щелочноземельных металлов. Кальций вступает в реакции с разными веществами, так как является химически активным.

Несмотря на свою высокую способность к взаимодействию, кальций не самый активный металл семейства. Степень окисления +2.

Кальций вступает в следующие химические реакции:

1. С кислородом взаимодействует в нормальных условиях, образуя оксид и выделяя тепло. Может даже загореться чистым красным огнем и белым дымом. Образуется оксид кальция — 2Ca + O₂ -> 2CaO.
2. С галогенами реагирует в нормальных условиях — Ca + Br₂ -> CaBr₂ – бромид.
3. С углеродом дает реакцию при нагреве. Аналогичными будут взаимодействия с водородом, кремнием и другими неметаллами — Ca + 2C -> CaC₂ – карбид.
4. С кислотами, иногда с мощным выделением тепла. Выделяют 2 варианта уравнения реакции кальция с серной кислотой: Ca + H₂SO₄(разбавленная) -> CaSO₄ + 2H₂ и Ca + H₂SO₄(концентрированная) -> CaSO₄ + SO₂ + 2H₂O. В обоих случаях результатом реакции будет соль сульфат, побочные продукты.
5. С водой реакция проходит с выделением тепла, но без воспламенений — Ca + 2H₂O -> Ca(OH)2 + H₂.

На воздухе металл покрывается сероватым налетом.

В реакции вступает много соединений элемента:

1. Соединения кальция и неметаллов в присутствии воды разлагаются до гидроксида, водорода — CaH₂ + H₂O -> Ca(OH)₂ + 2H₂.
2. Существует особенный перенос веществ, а именно превращение из карбоната в кислую его версию и обратно в разных условиях.
3. При реакции воды, обогащенной углекислым газом, с карбонатом кальция выделяется кислый карбонат, одновременно происходит растворение — СаСО3 + СО2 + Н2О = Са(НСО3)2.
4. В обратном случае кислый карбонат кальция нагревается под солнцем распадаясь на 3 компонента — Са(НСО3)2 = СаСО3 + СО2↑ + Н2О.

Рекомендовано не хранить кальций в открытом виде, а убирать в герметичную стеклянную посуду с добавлением парафина или керосина.

Коррозия металла

Коррозия – это процесс разрушения металлов или металлических конструкций под действием кислорода, воды и вредных примесей. Не все металлы подвергаются коррозии. Их стойкость зависит от ряда факторов.

• На благородных металлах не образуется коррозия.
• На поверхности алюминия, титана, цинке, хрома и никеля есть оксидная пленка, которая предотвращает процессы коррозии.

Различают несколько видов коррозии – химическую и электрохимическую.

Химическая коррозия

Химическая коррозия сопровождается химическими реакциями. Она образуется под действием газов.

3 Fe + 2 O₂ → Fe₃O₄

2 Fe + 3 Cl₂ → 2 FeCl₃

Электрохимическая коррозия

Электрохимическая коррозия – процесс разрушения металлов или металлических конструкций, который сопровождается электрохимическими реакциями. В большинстве металлов находятся примеси. В процессе коррозии электродами могут служить не только металлы, но и его примеси.

Например, в железе могут находиться примеси олова. В этом случае на аноде электроны переносятся от олова к железу и металлы растворяются, т.е. железо подвергаются коррозии. На катоде восстанавливается водород из воды или растворенного кислорода. Электрохимическая коррозия может сопровождаться следующими процессами.

Анод: Fe2+ — 2e → Fe

Катод: 2H+ + 2e → H₂

Способы защиты от коррозии

В промышленности популярны различные методы защиты металлов от коррозии.

Защитные покрытия

Покрытия защищают поверхности от действия окислителей. Ими служат различные вещества:

• покрытие менее активным металлом (железо покрывают оловом);
• краски, лаки, смазки.
• Создание специальных сплавов

Физические свойства сплавов и чистых металлов отличаются. Поэтому для повышения стойкости в сплав необходимо добавить дополнительные металлы.

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).