Кальций активный металл. Химические и физические свойства кальция, его взаимодействие с водой

Кальций располагается в четвертом большом периоде, второй группе, главной подгруппе, порядковый номер элемента - 20. Согласно периодической таблице Менделеева, атомный вес кальция - 40,08. Формула высшего оксида - СаО. Кальций имеет латинское название cal­ci­um , поэтому символ атома элемента - Са.

Характеристика кальция как простого вещества

При обычных условиях кальций - это металл серебристо-белого цвета. Имея высокую химическую активность, элемент способен образовывать множество соединений разных классов. Элемент представляет ценность для технических и промышленных химических синтезов. Металл широко распространен в земной коре: его доля составляет около 1,5 %. Кальций относится к группе щелочноземельных металлов: при растворении в воде он дает щелочи, но в природе встречается в виде множественных минералов и . Морская вода содержит кальций в больших концентрациях (400 мг/л).

Характеристики кальция зависят от строения его кристаллической решетки. У этого элемента она бывает двух типов: кубическая гранецентрическая и объемноцентрическая. Тип связи в молекуле - металлический.

Природные источники кальция:

• апатиты;
• алебастр;
• гипс;
• кальцит;
• флюорит;
• доломит.

Физические свойства кальция и способы получения металла

В обычных условиях кальций находится в твердом агрегатном состоянии. Металл плавится при 842 °С. Кальций является хорошим электро- и теплопроводником. При нагревании он переходит сначала в жидкое, а затем в парообразное состояние и теряет металлические свойства. Металл является очень мягким и режется ножом. Кипит при 1484 °С.

Под давлением кальций теряет металлические свойства и способность к электропроводимости. Но затем металлические свойства восстанавливаются и проявляются свойства сверхпроводника, в несколько раз превышающего по своим показателям остальные .

Кальций долго не удавалось получить без примесей: из-за высокой химической активности этот элемент не встречается в природе в чистом виде. Элемент был открыт в начале XIX века. Кальций как металл впервые синтезировал британский химик Гемфри Дэви. Ученый обнаружил особенности взаимодействия расплавов твердых минералов и солей с электрическим током. В наши дни электролиз солей кальция (смеси хлоридов кальция и калия, смеси фторида и хлорида кальция) остается самым актуальным способом получения металла. Кальций также извлекают из его оксида с помощью алюминотермии - распространенного в металлургии метода.

Химические свойства кальция

Кальций - активный металл, вступающий во многие взаимодействия. При нормальных условиях он легко реагирует, образуя соответствующие бинарные соединения: с кислородом, галогенами. Нажмите , 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.

Из-за высокой активности в обычном состоянии кальций хранится в лабораториях в темной герметичной стеклянной посуде под слоем парафина или керосина. Качественная реакция на ион кальция - окрашивание пламени в насыщенный кирпично-красный цвет.

Идентифицировать металл в составе соединений можно по нерастворимым осадкам некоторых солей элемента (фторид, карбонат, сульфат, силикат, фосфат, сульфит).

Реакция воды с кальцием

Кальций хранят в банках под слоем защитной жидкости. Чтобы провести , 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).

Кусок кальция всплывает, подхваченный пузырьками водорода. Примерно через 30 секунд кальций растворяется, а вода из-за образования взвеси гидроксида становится мутно-белой. Если реакцию проводить не в стакане, а в пробирке, можно наблюдать выделение тепла: пробирка быстро становится горячей. Реакция кальция с водой не заканчивается эффектным взрывом, но взаимодействие двух веществ протекает бурно и выглядит зрелищно. Опыт безопасен.

Если мешочек с оставшимся кальцием вынуть из воды и подержать на воздухе, то через некоторое время в результате продолжающейся реакции наступит сильное разогревание и оставшаяся в марле закипит. Если часть помутневшего раствора отфильтровать через воронку в стакан, то при пропускании через раствор оксида углерода CO₂ получится осадок. Для этого не нужен углекислый газ - можно продувать выдыхаемый воздух в раствор через стеклянную трубочку.

Общие сведения и методы получения

Кальций (Са) - серебристо-белый металл. Открыт английским химиком Дэви в 1808 г., однако в чистом виде получен только в 1855 г. Бунзеном и Матиссеном путем электролиза расплавленного хлористого кальция. Промышленный способ получения кальция разработан Зутером и Ред-лихом в 1896 г. на заводе Ратенау (Германия). В 1904 г. в Биттерфель-де начал работать первый завод по получению кальция.

Свое название элемент получил от латинского calx (calcis) - известь.

В свободном состоянии в природе не встречается. Входит в состав осадочных и метаморфических пород. Чаще всего встречаются карбонат­ные породы (известняк, мел). Кроме того, кальций содержится во мно­гих минералах: гипсе, кальците, доломите, мраморе и др.

В известняке присутствует не менее 40 % углекислого кальция, в кальците - 56 % СаО, в доломите - 30,4 % СаО, в гипсе - 32,5 % СаО. Кальций содержится в почве и морской воде (0,042 %).

Металлический кальций и его сплавы получают электролитическим и металлотермичсским способами. Электролитические способы основаны на электролизе расплавленного хлористого кальция. Получающийся металл содержит СаС1 2 , поэтому его переплавляют, а для получения высокочистого кальция перегоняют. Оба процесса проводят в вакууме.

Кальций получают также методом алюминотермического восстанов­ления в вакууме, а также термической диссоциацией карбида кальция.

Физические свойства

Атомные характеристики. Атомный номер 20, атомная масса 40,08 а. е. м., атомный объем 26,20 10 _6 м 3 /моль, атомный радиус 0,197 нм, ионный радиус (Са 2 +) 0,104 нм Конфигурация внешних электронных оболочек Зр е 4А 2 . Значения потенциалов ионизации атомов / (эВ): 6,111; 11,87; 51,21. Электроотрицательность 1,0. Кристаллическая решетка г. ц. к. с периодом а =0,556 нм (координационное число 12), переходящая около 460 °С в гексагональную с а=0,448 нм (координационное число 6;6). Энергия кристаллической решетки 194,1 мкДж/кмоль.

Природный кальций состоит из смеси шести стабильных изотопов (40 Са, 42 Са, 43 Ca , 44 Са, 46 Са, 48 Са), из которых наиболее распространен 40 Са (96,97 %). Остальные изотопы (39 Са, "Са, 45 Са, 47 Са и 49 Са) об­ладают радиоактивными свойствами и могут быть получены искусст-иенным путем.

Эффективное поперечное сечение захвата тепловых нейтронов 0,44*10 -28 м 2 . Работа выхода электронов ср = 2,70-н 2,80 эВ. Работа вы­хода электронов для грани (100) монокристалла 2,55 эВ.

Плотность. Плотность кальция при 20 °С р= 1,540 Мг/м 3 , а при 480°С 1,520 Мг/м 3 , жидкого (865°С) 1,365 Мг/м 3 .

Химические свойства

Нормальный электродный потенциал реакции Са-2е^=Са 2 + ср=-2,84 В. В соединениях проявляет степень окисления +2.

Кальций - химически очень активный элемент, вытесняет почти все металлы из их оксидов, сульфидов и галогенидов. Медленно взаимо­действует с холодной водой, при этом выделяется водород, в горячей ЗВде образуется гидроксид. С сухим воздухом при комнатной темпе­ратуре кальций не реагирует, при нагреве до 300 °С и выше сильно окисляется, а при дальнейшем нагреве, особенно в присутствии кисло­рода, воспламеняется, образуя СаО; теплота образования АЯ 0 йр = = 635,13 кДж/моль.

При взаимодействии с водородом при 300-400 °С образуется гид­рид кальция СаН 2 (ДЯ 0 бр= 192,1 кДж/моль), с кислородом прочное ч. высокотемпературное соединение СаО. С фосфором кальций образует устойчивое и прочное соединение Са 3 Р 2 , а с углеродом - карбид СаС 2 . С фтором, хлором, бромом и ио­дом взаимодействует, образуя CaF 2 , СаС1 2 , СаВг 2 , Са1 2 . При нагревании кальции с серой образуется сульфид CaS , с кремнием - силициды Ca 2 Si , CaSi и CaSi 2 .

Концентрированная азотная кислота и концентрированный раствор NaOH слабо взаимодействуют с кальцием, а разбавленная азотная кис­лота бурно. В крепкой серной кислоте кальций покрывается защитной пленкой CaS 0 4 , которая препятствует дальнейшему взаимодействию; разбавленная H 2 S 0 4 действует слабо, разбавленная соляная кислота - сильно.

С большинством металлов кальций взаимодействует, образуя твер­дые растворы и химические соединения.

Нормальный электронный потенциал ф 0 = -2,84 В. Электрохимиче­ский эквивалент 0,20767 мг/Кл.

Технологические свойства

Благодаря высокой пластичности кальция его можно подвераать обра­ботке давлением всех видов. При 200-460 °С он хорошо прессуется, прокатывается в листы, куется, из него легко получают проволоку и другие полуфабрикаты. Кальций хорошо обрабатывается резанием (об­точка на токарном, сверлильном и других станках).

Области применения

Применение металлического кальция обусловлено его высокой химиче­ской активностью. Поскольку при повышенной температуре кальций мо­жет энергично соединяться со всеми газами, кроме инертных, его ис­пользуют для промышленной очистки аргона и гелия, а также в каче­стве газопоглотителя в высоковакуумных приборах, например элек­тронных трубках и т. д.

В металлургии кальций используют в качестве раскислителя и де-сульфуратора стали; при очистке свинца и олова от висмута и сурь­мы; в качестве восстановителя при получении тугоплавких редких ме­таллов, обладающих высоким сродством к кислороду (циркония, ти­тана, тантала, ниобия, тория, урана и др.); в качестве легирующей добавки к свинцово-кальциевым баббитам для повышения их механиче­ских и антифрикционных свойств

Сплав свинца с 0,04 % Са обладает повышенной твердостью по срав­нению с чистым свинцом. Небольшие добавки (0,1 %) кальция повы­шают устойчивость против ползучести. Сплав кальция (до 70 %) с цин­ком используется тля изготовления пенобетона.

Широко применяются лигатуры кальция с кремнием и марганцем, с алюминием и кремнием в качестве раскислителей и добавок в произ­водстве легких сплавов

Присадка кальцийлитиевых лигатур в незначительных количествах к сплавам на основе железа (чугуну, углеродистым и специальным ста­лям) увеличивает их жидкотекучесть и заметно повышает твердость и временное сопротивление.

Широкое применение получили соединения кальция. Так, оксид каль­ция используют в стекольном производстве, для футеровки печей, по­лучения гашеной извести. Гидросульфит кальция применяют в произ­водстве искусственного волокна и для очистки каменноугольного газа.

Хлорная известь используется как" отбеливающее средство в текстиль­ной и целлюлозно-бумажной промышленности, а также как дезинфици­рующее средство. Пероксид кальция идет на приготовление гигиениче­ских и косметических препаратов, а также зубных паст. Сульфид каль­ция служит для получения фосфоресцирующих препаратов, а в коже­венной промышленности - для удаления волосяного покрова кожи. Соединения кальция с мышьяком ядовиты и опасны. Их используют для уничтожения вредителей сельского хозяйства. Соединения кальция с фосфором и цианамиды кальция служат для получения удобрений (суперфосфат, азотистые удобрения и др.). Широко применяются ми­нералы - мрамор, гипс, известняк, доломит и т. д.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Кальций - двадцатый элемент Периодической таблицы. Обозначение - Ca от латинского «calcium». Расположен в четвертом периоде, IIА группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 20.

Кальций принадлежит к числу самых распространенных в природе элементов. В земной коре его содержится приблизительно 3% (масс.). Он встречается в виде многочисленных отложений известняков и мела, а также мрамора, которые представляют собой природные разновидности карбоната кальция CaCO 3 . В больших количествах встречаются также гипс CaSO 4 ×2H 2 O, фосфорит Ca 3 (PO 4) 2 и, наконец, различные содержащие кальций силикаты.

В виде простого вещества кальций представляет собой ковкий, довольно твердый металл белого цвета (рис.1). На воздухе быстро покрывается слоем оксида, а при нагревании сгорает ярким красноватым пламенем. С холодной водой кальций реагирует сравнительно медленно, но из горячей воды быстро вытесняет водород, образуя гидроксид.

Рис. 1. Кальций. Внешний вид.

Атомная и молекулярная масса кальция

Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Поскольку в свободном состоянии кальций существует в виде одноатомных молекул Ca, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 40,078.

Изотопы кальция

Известно, что в природе кальций может находиться в виде четырех стабильных изотопов 40 Ca, 42 Ca, 43 Ca, 44 Ca, 46 Ca и 48 Ca, с явным преобладанием изотопа 40 Ca (99,97%). Их массовые числа равны 40, 42, 43, 44, 46 и 48 соответственно. Ядро атома изотопа кальция 40 Ca содержит двадцать протонов и двадцать нейтронов, а остальные изотопы отличаются от него только числом нейтронов.

Существуют искусственные изотопы кальция с массовыми числами от 34-х до 57-ми, среди которых наиболее стабильным является 41 Ca с периодом полураспада равным 102 тысячи лет.

Ионы кальция

На внешнем энергетическом уровне атома кальция имеется два электрона, которые являются валентными:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 .

В результате химического взаимодействия кальций отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:

Ca 0 -2e → Ca 2+ .

Молекула и атом кальция

В свободном состоянии кальций существует в виде одноатомных молекул Ca. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу кальция:

Сплавы кальция

Кальций служит легирующим компонентом некоторых свинцовых сплавов.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Кальций известен человеку с древнейших времен в виде щелочных соединений, таких как мел или известняк. В чистом виде этот элемент был получен в начале 19 века. Тогда же и было установлено, что по своим основным свойствам кальций относится к щелочным металлам.

Кальций играет важную биологическую роль — он является основным составным макроэлементом скелета (в том числе и наружного) у большинства видов на планете, входит в состав гормонов, является регулятором нейронных и мышечных взаимодействий. Химически чистый кальций используется в различных реакциях, в металлургии и во многих других отраслях.

Общая характеристика

Кальций является одним из типичных представителей семейства активных щелочных металлов. В чистом виде по фактуре и внешнему виду напоминает железо, с менее выраженным блеском. Хрупкий, ломается с образованием неоднородных кристаллических гранул. Больше всего кальций известен в виде своих соединений (мел, известняк, кремнезем и другие), где он имеет вид беловатого крошащегося вещества.

В чистом виде не встречается по причине своей высокой реакционной активности. Входит в состав большинства минералов, среди которых наибольшее значение имеют мрамор, гранит, алебастр и некоторые другие ценные породы.

Основные физико-химические свойства

Относится ко второй группе периодической системы элементов, проявляя схожие физические свойства с другими представителями щелочной группы:

• Относительно низкая плотность (1,6г/см 3);
• Предел температуры плавления — 840 0 С при нормальных условиях;
• Средняя теплопроводность, в целом заметно ниже, чем у большинства металлов;

В целом, физика кальция не представляет особых неожиданностей. Обладая типичной кристаллической решеткой, этот элемент имеет довольно низку прочность и почти нулевую пластичность, легко крошится и разламывается с образованием характерного кристаллического узора на границе излома.

Тем не менее, недавние исследования показали весьма интересные результаты. Установлено, что при высоких показателях атмосферного давления, физические свойства элемента начинают меняться. Проявляются полупроводниковые свойства, абсолютно нехарактерные для любых металлов. Экстремальное давление приводит к появлению и кальция сверхпроводящих свойств. Данные исследования имеют далеко идущие последствия, однако пока сфера применения кальция ограничена его обычными свойствами.

В своих химических качествах же кальций ничем особым не выделяется и является типичным щелочноземельным металлом:

• Высокая реакционная активность;
• Охотное взаимодействие с атмосферой и образование характерной тусклой пленки на поверхности элемента;
• Активно взаимодействует с водой, но, в отличие от таких элементов, как натрий, взрывной экзотермической реакции не происходит;
• Вступает в реакции со всеми активными неметаллами, включая йод и бром;

В отличие от более активных щелочных металлов, для реакции с металлами и относительно инертными элементами (например — с углеродом) кальцию требуется катализатор либо сильное нагревание. Хранится кальций в плотно закупоренных стеклянных емкостях, для предотвращения спонтанных реакций.

Кальций входит в пятерку самых распространенных веществ на планете, уступая лишь кислороду, кремнию и алюминию с железом. При этом в природе этот элемент встречается, в основном, в виде твердых или сыпучих минералов. Самое известное соединение кальция — известняк. Также кальций образует широкую гамму различных минералов, от названных выше гранита и мрамора, до менее распространенных баритов и шпатов. По примерным оценкам исследователей, содержание кальция в чистом эквиваленте — около 3,4% по массе.

Сфера промышленного применения

В промышленной сфере кальций входит в группу широко востребованных материалов для целей металлургии. С его помощью получают очищенные металлы, в том числе — уран и торий, а также некоторые редкоземельные элементы. Добавление кальция в стальные расплавы способствует связыванию и удалению свободного кислорода, что улучшает конструкционные качества металлического сплава. Также кальций используется в качестве электролитического элемента в составе аккумуляторов и батарей.

КАЛЬЦИЙ (латинский Calcium), Са, химический элемент II группы короткой формы (2-й группы длинной формы) периодической системы; относится к щёлочноземельным металлам; атомный номер 20; атомная масса 40,078. В природе существует 6 стабильных изотопов: 40 Са (96,941%), 42 Са (0,647%), 43 Са (0,135%), 44 Са (2,086%), 46 Са (0,004%), 48 Са (0,187%); искусственно получены радиоизотопы с массовыми числами 34-54.

Историческая справка. Многие природные соединения кальция были известны в глубокой древности и широко применялись в строительстве (например, гипс, известь, мрамор). Металлический кальций впервые выделен Г. Дэви в 1808 при электролизе смеси оксидов СаО и HgO и последующем разложении образовавшейся амальгамы кальция. Название происходит от латинского calx (родительный падеж calcis) - известь, мягкий камень.

Распространённость в природе . Содержание кальция в земной коре составляет 3,38% по массе. Из-за высокой химической активности в свободном состоянии не встречается. Наиболее распространены минералы анортит Ca, ангидрит CaSO 4 , апатит Ca 5 (РО 4) 3 (F,Cl,ОН), гипс CaSO 4 ·2Н 2 О, кальцит и арагонит СаСО 3 , перовскит CaTiO 3 , флюорит CaF 2 , шеелит CaWO 4 . Минералы кальция входят в состав осадочных (например, известняк), магматических и метаморфических горных пород. Соединения кальция содержатся в живых организмах: являются основными компонентами костных тканей позвоночных (гидроксиапатит, фторапатит), скелетов кораллов, раковин моллюсков (карбонат и фосфаты кальция) и др. Присутствие ионов Са 2+ определяет жёсткость воды.

Свойства . Конфигурация внешней электронной оболочки атома кальция 4s 2 ; в соединениях проявляет степень окисления +2, редко +1 ; электроотрицательность по Полингу 1,00, атомный радиус 180 пм, радиус иона Са 2+ 114 пм (координационное число 6). кальций - серебристо-белый мягкий металл; до 443 °С устойчива модификация с кубической гранецентрированной кристаллической решёткой, выше 443 °С - с кубической объёмно-центрированной решёткой; t пл 842°С, t кип 1484 °С, плотность 1550 кг/м 3 ; теплопроводность 125,6 Вт/(м·К).

Кальций - металл высокой химической активности (хранят в герметически закрытых сосудах или под слоем минерального масла). При нормальных условиях легко взаимодействует с кислородом (образуется кальция оксид СаО), при нагревании - с водородом (гидрид СаН 2), галогенами (кальция галогениды), бором (борид СаВ 6), углеродом (кальция карбид СаС 2), кремнием (силициды Ca 2 Si, CaSi, CaSi 2 , Ca 3 Si 4), азотом (нитрид Ca 3 N 2), фосфором (фосфиды Са 3 Р 2 , СаР, СаР 5), халькогенами (халькогениды состава СаХ, где Х - S, Se, Те). Кальций взаимодействует с другими металлами (Li, Cu, Ag, Au, Mg, Zn, Al, Pb, Sn и др.) с образованием интерметаллидов. Металлический кальций взаимодействует с водой с образованием кальция гидроксида Са(ОН) 2 и Н 2 . Энергично взаимодействует с большинством кислот, образуя соответствующие соли (например, кальция нитрат, кальция сульфат, кальция фосфаты). Растворяется в жидком аммиаке с образованием тёмно-синего раствора с металлической проводимостью. При испарении аммиака из такого раствора выделяется аммиакат . Постепенно кальций взаимодействует с аммиаком с образованием амида Ca(NH 2) 2 . Образует различные комплексные соединения, наибольшее значение имеют комплексы с кислородсодержащими полидентатными лигандами, например комплексонаты Са.

Биологическая роль . Кальций относится к биогенным элементам. Суточная потребность человека в кальции - около 1 г. В живых организмах ионы кальция участвуют в процессах сокращения мышц, передачи нервных импульсов.

Получение . Металлический кальций получают электролитическим и металлотермическим способами. Электролитический способ основан на электролизе расплавленного хлорида кальция с катодом касания или жидким медно-кальциевым катодом. Из образующегося медно-кальциевого сплава отгоняют кальций при температуре 1000-1080 °С и давлении 13-20 кПа. Металлотермический способ основан на восстановлении кальция из его оксида алюминием или кремнием при 1100-1200 °С. При этом образуется алюминат или силикат кальция, а также газообразный кальций, который затем конденсируют. Мировое производство соединений кальция и материалов, содержащих кальций, около 1 миллиарда т/год (1998).

Применение . Кальций применяют в качестве восстановителя при получении многих металлов (Rb, Cs, Zr, Hf, V и др.). Силициды кальция, а также сплавы кальция с натрием, цинком и другими металлами используют в качестве раскислителей и десульфураторов некоторых сплавов и нефти, для очистки аргона от кислорода и азота, в электровакуумных приборах в качестве поглотителя газов. Хлорид СаСl 2 используют в качестве осушителя в химическом синтезе, гипс применяют в медицине. Кальция силикаты являются основными компонентами цемента.

Лит.: Родякин В. В. Кальций, его соединения и сплавы. М., 1967; Спицын В. И., Мартыненко Л. И. Неорганическая химия. М., 1994. Ч. 2; Неорганическая химия / Под редакцией Ю. Д. Третьякова. М., 2004. Т. 2.

Л. Н. Комиссарова, М. А. Рюмин.