Кальций

20 Калий ← Кальций → Скандий 20Ca
Внешний вид простого вещества
Умеренно твёрдый[1], серебристо-белый металл
Свойства атома
Имя, символ, номер	Ка́льций/Calcium (Ca), 20
Атомная масса (молярная масса)	40,078 а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Ar] 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 K
Температура кипения	1757 K
Теплота плавления	9,20 кДж/моль
Теплота испарения	153,6 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	25,9[2] 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)

20	Кальций
Ca 40,078
4s2

Ка́льций — элемент главной подгруппы второй группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 20. Обозначается символом Ca (лат. Calcium). Простое вещество кальций (CAS-номер: 7440-70-2) — мягкий, химически активный щёлочноземельный металл серебристо-белого цвета.

История и происхождение названия

Название элемента происходит от лат. calx (в родительном падеже calcis) — «известь», «мягкий камень». Оно было предложено английским химиком Хэмфри Дэви, в 1808 г. выделившим металлический кальций электролитическим методом. Дэви подверг электролизу смесь влажной гашёной извести с оксидом ртути HgO на платиновой пластине, которая являлась анодом. Катодом служила платиновая проволока, погруженная в жидкую ртуть. В результате электролиза получалась амальгама кальция. Отогнав из неё ртуть, Дэви получил металл, названный кальцием.

Соединения кальция — известняк, мрамор, гипс (а также известь — продукт обжига известняка) применялись в строительном деле уже несколько тысячелетий назад. Вплоть до конца XVIII века химики считали известь простым телом. В 1789 году А. Лавуазье предположил, что известь, магнезия, барит, глинозём и кремнезём — вещества сложные.

Нахождение в природе

Из-за высокой химической активности кальций в свободном виде в природе не встречается.

На долю кальция приходится 3,38 % массы земной коры (5-е место по распространенности после кислорода, кремния, алюминия и железа). Содержание элемента в морской воде — 400 мг/л^[3].

Изотопы

Кальций встречается в природе в виде смеси шести изотопов: ⁴⁰Ca, ⁴²Ca, ⁴³Ca, ⁴⁴Ca, ⁴⁶Ca и ⁴⁸Ca, среди которых наиболее распространённый — ⁴⁰Ca — составляет 96,97 %.

Из шести природных изотопов кальция пять стабильны. Шестой изотоп ⁴⁸Ca, самый тяжелый из шести и весьма редкий (его изотопная распространённость равна всего 0,187 %), как было недавно обнаружено, испытывает двойной бета-распад с периодом полураспада 5,3·10¹⁹ лет.

В горных породах и минералах

Большая часть кальция содержится в составе силикатов и алюмосиликатов различных горных пород (граниты, гнейсы и т. п.), особенно в полевом шпате — анортите Ca[Al₂Si₂O₈].

В виде осадочных пород соединения кальция представлены мелом и известняками, состоящими в основном из минерала кальцита (CaCO₃). Кристаллическая форма кальцита — мрамор — встречается в природе гораздо реже.

Довольно широко распространены такие минералы кальция, как кальцит CaCO₃, ангидрит CaSO₄, алебастр CaSO₄·0.5H₂O и гипс CaSO₄·2H₂O, флюорит CaF₂, апатиты Ca₅(PO₄)₃(F,Cl,OH), доломит MgCO₃·CaCO₃. Присутствием солей кальция и магния в природной воде определяется её жёсткость.

Кальций, энергично мигрирующий в земной коре и накапливающийся в различных геохимических системах, образует 385 минералов (четвёртое место по числу минералов).

Миграция в земной коре

В естественной миграции кальция существенную роль играет «карбонатное равновесие», связанное с обратимой реакцией взаимодействия карбоната кальция с водой и углекислым газом с образованием растворимого гидрокарбоната:

$\mathsf{CaCO_3 + H_2O + CO_2 \rightleftarrows Ca(HCO_3)_2 \rightleftarrows Ca^{2+} + 2HCO_3^{2+}}$

(равновесие смещается влево или вправо в зависимости от концентрации углекислого газа).

Огромную роль играет биогенная миграция.

В биосфере

Соединения кальция находятся практически во всех животных и растительных тканях (см. тж. ниже). Значительное количество кальция входит в состав живых организмов. Так, гидроксиапатит Ca₅(PO₄)₃OH, или, в другой записи, 3Ca₃(PO₄)₂·Са(OH)₂ — основа костной ткани позвоночных, в том числе и человека; из карбоната кальция CaCO₃ состоят раковины и панцири многих беспозвоночных, яичная скорлупа и др. В живых тканях человека и животных 1,4-2 % Са (по массовой доле); в теле человека массой 70 кг содержание кальция — около 1,7 кг (в основном в составе межклеточного вещества костной ткани).

Получение

Свободный металлический кальций получают электролизом расплава, состоящего из CaCl₂ (75-80 %) и KCl или из CaCl₂ и CaF₂, а также алюминотермическим восстановлением CaO при 1170—1200 °C:

$\mathsf{4CaO + 2Al \rightarrow CaAl_2O_4 + 3Ca}$

Свойства

В этом разделе не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 28 января 2012.

Физические

Металл кальций существует в двух аллотропных модификациях. До 443 °C устойчив α-Ca с кубической гранецентрированной решеткой (параметр а = 0,558 нм), выше устойчив β-Ca с кубической объемно-центрированной решеткой типа α-Fe (параметр a = 0,448 нм). Стандартная энтальпия $\Delta H^0$ перехода α → β составляет 0,93 кДж/моль.

При постепенном повышении давления начинает проявлять свойства полупроводника, но не становится полупроводником в полном смысле этого слова (металлом уже тоже не является). При дальнейшем повышении давления возвращается в металлическое состояние и начинает проявлять сверхпроводящие свойства (температура сверхпроводимости в шесть раз выше, чем у ртути, и намного превосходит по проводимости все остальные элементы). Уникальное поведение кальция похоже во многом на стронций (то есть параллели в периодической системе сохраняются)^[4].

Химические

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⁺/Ca⁰ −2,84 В, так что кальций активно реагирует с водой, но без воспламенения:

$\mathsf{Ca + 2H_2O \rightarrow Ca(OH)_2 + H_2\uparrow}$

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

$\mathsf{2Ca + O_2 \rightarrow 2CaO}$

$\mathsf{Ca + Br_2 \rightarrow CaBr_2}$

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

$\mathsf{Ca + H_2 \rightarrow CaH_2}$

$\mathsf{Ca + 6B \rightarrow CaB_6}$

$\mathsf{3Ca + N_2 \rightarrow Ca_3N_2}$

$\mathsf{Ca + 2C \rightarrow CaC_2}$

$\mathsf{6Ca + P_4 \rightarrow 2Ca_3P_2}$

Кроме фосфида кальция Ca₃P₂ известны также фосфиды кальция составов СаР и СаР₅;

$\mathsf{2Ca + Si \rightarrow Ca_2Si}$

Кроме силицида кальция Ca₂Si известны также 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:

$\mathsf{CaH_2 + 2H_2O \rightarrow Ca(OH)_2 + H_2\uparrow}$

$\mathsf{Ca_3N_2 + 6H_2O \rightarrow 3Ca(OH)_2 + 2NH_3\uparrow}$

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

Такие соли кальция, как хлорид CaCl₂, бромид CaBr₂, иодид CaI₂ и нитрат Ca(NO₃)₂, хорошо растворимы в воде. Нерастворимы в воде фторид CaF₂, карбонат CaCO₃, сульфат CaSO₄, ортофосфат Ca₃(PO₄)₂, оксалат СаС₂О₄ и некоторые другие.

Важное значение имеет то обстоятельство, что, в отличие от карбоната кальция СаСО₃, кислый карбонат кальция (гидрокарбонат) Са(НСО₃)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 тех же местах, где вода, насыщенная гидрокарбонатом кальция, выходит на поверхность земли и нагревается солнечными лучами, протекает обратная реакция

$\mathsf{CaCO_3 + CO_2 + H_2O \rightleftarrows 2Ca(HCO_3)_2}$

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

Наличие в воде растворенного гидрокарбоната кальция во многом определяет временную жёсткость воды. Временной её называют потому, что при кипячении воды гидрокарбонат разлагается, и в осадок выпадает СаСО₃. Это явление приводит, например, к тому, что в чайнике со временем образуется накипь.

Применение

В этом разделе не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 28 января 2012.

Применение металлического кальция

Главное применение металлического кальция — это использование его как восстановителя при получении металлов, особенно никеля, меди и нержавеющей стали. Кальций и его гидрид используются также для получения трудновосстанавливаемых металлов, таких, как хром, торий и уран. Сплавы кальция со свинцом находят применение в аккумуляторных батареях и подшипниковых сплавах. Кальциевые гранулы используются также для удаления следов воздуха из электровакуумных приборов.

Металлотермия

Чистый металлический кальций широко применяется в металлотермии при получении редких металлов.

Легирование сплавов

Чистый кальций применяется для легирования свинца, идущего на изготовление аккумуляторных пластин, необслуживаемых стартерных свинцово-кислотных аккумуляторов с малым саморазрядом. Также металлический кальций идет на производство качественных кальциевых баббитов БКА.

Ядерный синтез

Изотоп ⁴⁸Ca — один из эффективных и употребительных материалов для производства сверхтяжёлых элементов и открытия новых элементов таблицы Менделеева. Это связано с тем, что кальций-48 является дважды магическим ядром, поэтому его устойчивость позволяет ему быть достаточно нейтроноизбыточным для лёгкого ядра; при синтезе сверхтяжёлых ядер необходим избыток нейтронов.

Применение соединений кальция

Гидрид кальция

Нагреванием кальция в атмосфере водорода получают CaH₂ (гидрид кальция), используемый в металлургии (металлотермии) и при получении водорода в полевых условиях.

Оксид кальция

Оксид кальция CaO, в составе твёрдого раствора оксидов других щёлочноземельных металлов — бария и стронция (BaO, SrO), используется в качестве активного слоя катодов косвенного накала в вакуумных электронных приборах.

Оптические и лазерные материалы

Фторид кальция (флюорит) применяется в виде монокристаллов в оптике (астрономические объективы, линзы, призмы) и как лазерный материал. Вольфрамат кальция (шеелит) в виде монокристаллов применяется в лазерной технике, а также как сцинтиллятор.

Карбид кальция

Карбид кальция CaC₂ широко применяется для получения ацетилена и для восстановления металлов, а также при получении цианамида кальция (нагреванием карбида кальция в азоте при 1200 °C, реакция идет экзотермически, проводится в цианамидных печах).

Химические источники тока

Кальций, а также его сплавы с алюминием и магнием используются в резервных тепловых электрических батареях в качестве анода (например кальций-хроматный элемент). Хромат кальция используется в таких батареях в качестве катода. Особенность таких батарей — чрезвычайно долгий срок хранения (десятилетия) в пригодном состоянии, возможность эксплуатации в любых условиях (космос, высокие давления), большая удельная энергия по весу и объёму. Недостаток в недолгом сроке действия. Такие батареи используются там, где необходимо на короткий срок создать большую электрическую мощность (баллистические ракеты, некоторые космические аппараты и др.).

Огнеупорные материалы

Оксид кальция, как в свободном виде, так и в составе керамических смесей, применяется в производстве огнеупорных материалов.

Строительные материалы

Использование соединений кальция в производстве строительных материалов является самым масштабным из всех применений. Окись (и гидроокись) кальция используется и как связующее, и как пигмент в производстве строительных растворов, разного рода водорастворимых красок, побелок, при получении силикатного кирпича. Соединения кальция используются в производстве цемента, стекла. В качестве наполнителей — для приготовления замазок и шпатлёвок, красок и эмалей. Широко используется также алебастр (строительный гипс), для отливки лепных украшений, статуй и горельефов. как компонент в строительных растворах.

Находит применение природный минерал мрамор — для отделки фасадов зданий, внутренних помещений, полов, для изготовления элементов интерьера, столешниц, подоконников и т. д.

Металлургия

Соединения кальция (в основном карбонат или гидрокарбонат) применяются для обмазок электродов в дуговой электросварке. Соединения кальция широко применяются для приготовления флюсов для плавки и сварки металлов.

Лекарственные средства

Соединения кальция широко применяются в качестве антигистаминного средства.

• Хлорид кальция
• Глюконат кальция
• Глицерофосфат кальция

Кроме того, соединения кальция вводят в состав препаратов для профилактики остеопороза, в витаминные комплексы для беременных и пожилых.

Биологическая роль

В этом разделе не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 12 мая 2011.

Кальций — распространенный макроэлемент в организме растений, животных и человека. В организме человека и других позвоночных большая его часть содержится в скелете и зубах в виде фосфатов. Из различных форм карбоната кальция (извести) состоят скелеты большинства групп беспозвоночных (губки, коралловые полипы, моллюски и др.). Ионы кальция участвуют в процессах свертывания крови, а также в обеспечении постоянного осмотического давления крови. Ионы кальция также служат одним из универсальных вторичных посредников и регулируют самые разные внутриклеточные процессы — мышечное сокращение, экзоцитоз, в том числе секрецию гормонов и нейромедиаторов и др. Концентрация кальция в цитоплазме клеток человека составляет около 10⁻⁷ моль, в межклеточных жидкостях около 10⁻³ моль.

Потребность в кальции зависит от возраста. Для взрослых необходимая дневная норма составляет от 800 до 1000 миллиграммов (мг), а для детей от 600 до 900 мг, что для детей очень важно из-за интенсивного роста скелета. Большая часть кальция, поступающего в организм человека с пищей, содержится в молочных продуктах, оставшийся кальций приходится на мясо, рыбу, и некоторые растительные продукты (особенно много содержат бобовые). Всасывание происходит как в толстом, так и тонком кишечнике и облегчается кислой средой, витамином D и витамином С, лактозой, ненасыщенными жирными кислотами. Немаловажна роль магния в кальциевом обмене, при его недостатке кальций «вымывается» из костей и осаждается в почках (почечные камни) и мышцах.

Усваиванию кальция препятствуют аспирин, щавелевая кислота, производные эстрогенов. Соединяясь с щавелевой кислотой, кальций дает нерастворимые в воде соединения, которые являются компонентами камней в почках.

Содержания кальция в крови из-за большого количества связанных с ним процессов точно регулируется, и при правильном питании дефицита не возникает. Продолжительное отсутствие в рационе может вызвать судороги, боль в суставах, сонливость, дефекты роста, а также запоры. Более глубокий дефицит приводит к постоянным мышечным судорогам и остеопорозу. Недостаток кальция может вызывать множество заболеваний^{[источник не указан 604 дня]}. Злоупотребление кофе и алкоголем могут быть причинами дефицита кальция, так как часть его выводится с мочой.

Избыточные дозы кальция и витамина D могут вызвать гиперкальцемию, после которой следует интенсивная кальцификация костей и тканей (в основном затрагивает мочевыделительную систему). Продолжительный переизбыток нарушает функционирование мышечных и нервных тканей, увеличивает свертываемость крови и уменьшает усвояемость цинка клетками костной ткани. Максимальная дневная безопасная доза составляет для взрослого от 1500 до 1800 миллиграммов.

Справка

Содержание кальция в продуктах питания:

Продукт	Содержание, мг/100 г
Мак	1460
Кунжут	670 — 975
Сыр типа эмменталь	970
Тахинная (кунжутная) халва	760
Плавленый сыр	760
Сыр типа гауда или чеддер	730
Крапива	713
Брынза	530
Просвирник лесной	505
Соевый сыр (тофу)	450
Подорожник большой	412
Галинсога	372
Семена подсолнечника	367
Будра плющевидная	289
Шиповник собачий	257
Миндаль	252 — 273
Подорожник ланцетолистный	248
Петрушка	245
Лесной орех	226
Амарант, семя	214
Кресс-салат	214
Кале	212
Соя бобы (сухие)	201
Молоко овечье	170
Молоко коровье	120
Творог	80
Листовой салат	77
Фасоль красная	71

Малое содержание кальция: хлеб с отрубями (60), хлеб пшеничный (37); субпродукты, крупы (менее 50), свёкла (37), морковь (46).

Более полная информация о кальции в пищевых продуктах на сайте USDA.gov

Рекомендуемые Всемирной Организацией Здравоохранения суточные нормы потребления кальция^[5].

Дети до 3 лет — 600 мг.

Дети от 4 до 10 лет — 800 мг.

Дети от 10 до 13 лет — 1000 мг.

Подростки от 13 до 16 лет — 1200 мг.

Молодежь от 16 и старше — 1000 мг.

Взрослые от 25 до 50 лет — от 800 до 1200 мг.

Беременные и кормящие грудью женщины — от 1500 до 2000 мг.

Примечания

1. ↑ твёрдость по Бринеллю 200-300 МПа
2. ↑ Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.) Химическая энциклопедия: в 5 т. — Москва: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2. — С. 293. — 671 с. — 100 000 экз.
3. ↑ J.P. Riley and Skirrow G. Chemical Oceanography V. 1, 1965
4. ↑ Газета. Ру: Элементы под давлением
5. ↑ суточные нормы потребления кальция

Литература

• Доронин. Н. А. Кальций, Госхимиздат, 1962. 191 стр. с илл.

Ссылки

	Кальций на Викискладе?

• Кальций на Webelements
• Кальций в Популярной библиотеке химических элементов
• Рекомендуемое потребление кальция

Соединения кальция

Алюминаты кальция (mCaO·nAl₂O₃) • Алюмогидрид кальция (Ca[AlH₄]₂)  • Амид кальция (Ca(NH₂)₂) • Арсенат кальция (Ca₃(AsO₄)₂) • Ацетат кальция ((CH₃COO)₂Ca) • Бисульфид кальция (Ca(HS)₂) • Борат кальция (Ca₃(BO₃)₂) • Бромид кальция (CaBr₂) • Вольфрамат кальция (CaWO₄) • Гексаборид кальция (CaB₆) • Гексафторсиликат кальция (CaSiF₆) • Гидрид кальция (CaH₂) • Гидроксид кальция (Ca(OH)₂) • Гидроортофосфат кальция (CaHPO₄) • Гипофосфит кальция (Ca(PH₂O₂)) • Гипохлорит кальция (Ca(ClO)₂) • Глицерофосфат кальция (C₃H₇CaO₆P) • Глюконат кальция (C₁₂H₂₂CaO₁₄) • Дигидрокарбонат кальция (Ca(HCO₃)₂) • 2,5-дигидроксибензолсульфонат кальция (C₁₂H₁₀CaO₁₀S₂) • Дигидроортофосфат кальция (Ca(H₂PO₄)₂) • Иодат кальция (Ca(IO₃)₂) • Иодид кальция (CaI₂) • Карбид кальция (CaC₂) • Карбонат кальция (CaCO₃) • Моносилицид кальция (CaSi) • Нитрат кальция (Са(NО₃)₂) • Нитрид кальция (Ca₃N₂) • Оксалат кальция (СаС₂О₄) • Оксид кальция (CaO) • Ортофосфат кальция (Ca₃(PO₄)₂) • Перманганат кальция (Ca(MnO₄)₂) • Пероксид кальция (CaO₂) • Пирофосфат кальция (Ca₂P₂O₇) • Силикат кальция (CaSiO₃) • Силицид дикальция (Ca₂Si) • Силицид кальция (CaSi₂) • Сульфат кальция (CaSO₄) • Сульфид кальция (CaS) • Сульфит кальция (CaSO₃) • Тетрагидроалюминат кальция (Ca(AlH₄)₂) • Титанат кальция (CaTiO₃) • Триметафосфат кальция (Ca₃(P₃O₉)₂) • Флюорит (CaF₂) • Формиат кальция (Ca(HCOO)₂) • Фосфид кальция (Ca₃P₂) • Фторид кальция (CaF₂) • Хлорат кальция (Ca(ClO₃)₂) • Хлорид кальция (CaCl₂) • Хлорная известь (Ca(Cl)OCl) • Хромат кальция (CaCrO₄) • Цианамид кальция (CaCN₂) • Цианид кальция (Ca(CN)₂) • Цитрат кальция (Ca₃(C₆H₅O₇)₂) •