1 Введение................................................................................................ 2
2 История открытия и происхождение названия................................... 3
3 Кальций в природе................................................................................ 5
4 Химические свойства кальция, его основные соединения................. 7
5 Применение кальция и его соединений............................................... 12
6 Токсикология.......................................................................................... 18
7 Роль в природе....................................................................................... 20
8 Заключение............................................................................................ 23
Введение
Камень издревле служил человеку. И не только орудием труда, защиты
или нападения, но и средством познания мира. Ибо, обрабатывая камень,
человек развивался сам. Позже мудрецы стали наделять камни магическими
свойствами. И не только те, что можно оправить в золото и серебро, приколов
в виде броши, надев на палец или продев в изящное женское ушко.
Строительный и облицовочный камень тоже стал раскрывать свои
собственные влияющие на поведение, характер и судьбу человека таинства.
Например, русские церкви строились из известняка не только потому,
что этого камня было в избытке. Известняк, по поверьям, забирает злобу,
гнев, заключенная в его плотных слоях энергия облагораживает душу,
настраивая на возвышенный, умиротворенный лад. Мрамор «гасит»
отрицательную энергию.
Но что представляет из себя мрамор? Мрамор – это кристаллическая
горная порода, образовавшаяся в результате перекристаллизации известняка
(CaCO3) или доломита(CaMg(CO3)2).
История открытия и происхождение названия
Название кальций произошло от латинского calx – «известь». В начале
нашей эры были широко распространены слова, имеющие различное
значение, но происходящие от приблизительно одинаковых латинских
корней: cal, calk и calx. Кальксом («Calx») называли известковый камень, мел,
вообще камень-голыш, но чаще всего, строительный раствор на основе
употребляли это слово, описывая процессы обжигания известкового камня,
гашения извести и получения строительных растворов. У алхимиков «calx»
обозначало, кроме этого, вообще продукты обжига различных веществ, в
частности металлов; окислы металлов назывались металлическими
известями, а операция обжига - кальцинацией («Calcinatio»). В древнерусской
рецептурной литературе встречается слово кал (глина, грязь). Позднее слово
кал служит синонимом слова навоз, которое, несомненно, связано со словом
Изучение природы извести и вообще соединений кальция началось в
XVIII в. Шталь считал известь сложным телом, состоящим из землистого и
водного начал. Блэк установил различие между едкой известью и углекислой
простых тел» причисляет известь к простым телам. Элементарный кальций
был получен Дэви в 1808 г. После успешного разложения электролизом
окислов калия и натрия Дэви решил получить тем же путем щелочно-
земельные металлы. Но это удалось ему не сразу. Сначала он пытался
разложить известь путем электролиза на воздухе и под слоем нефти, затем
прокаливал известь с металлическим калием в трубке и производил другие
опыты. Наконец, в приборе с ртутным катодом он получил электролизом
извести амальгаму, а из нее металлический кальций. Вскоре этот способ
получения металла был усовершенствован Берцелиусом и Понтиным.
В русской литературе начала XIX в. этот металл называли иногда
основанием известковой земли, известковием (Щеглов, 1830),
известковистостью (Иовский), калцием, кальцием (Гесс).
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.
Кальций в природе
Соединения кальция содержатся в почве и в природных водах, в
животных и растительных организмах и занимает 5-е место по
распространенности после кислорода, кремния, алюминия и железа. Из-за
высокой химической активности кальций в свободном виде в природе не
встречается. Большая часть кальция содержится в составе силикатов и
алюмосиликатов различных горных пород (граниты, гнейсы и другие).
в земной коре - 4.1%,
в океане - 4.1 10~2%.
В человеческом организме:
в мышечной ткани - 0.14%,
в костной ткани - 17%,
в крови - 60.5мг/л.
Среднесуточная потребность человека в кальции составляет около 1г.
Около 99% всего количества кальция в организме приходится на костную и
зубную ткань. Содержание ионов кальция в крови играет важнейшую роль в
возбуждении и регулировании работы сердца, а также выполняет защитную
роль в животном организме: лишенная ионов кальция кровь не свертывается
на воздухе.
Много кальция потребляют растения, от его недостатка прежде всего
страдает корневая система растений.
Кальций входит в состав осадочных горных пород, различных
минералов, наиболее распространенными из которых являются:
известняк, мрамор, мел СаСО3
гипс СаSO4 2Н2O
фосфориты и апатиты Са3(РO4)2
доломит СаСО3 МgСО3
ангидрит CaSO4
флюорит CaF2 - прекрасный оптический материал
Присутствием солей кальция и магния в природной воде определяется
ее жесткость.Значительное количество кальция входит в состав живых
организмов. Так, гидроксилапатит Ca5(PO4)3(OH), 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.
Молоко - 100 мг
Яйца – 27 мг
Треска – 15 мг
Сельдь – 50 мг
Семга - 20 мг
Свинина – 7 мг
Рис – 10 мг
Помидоры, огурцы – 10 мг
Морковь – 35 мг
Капуста – 210 мг
Лук порей – 92 мг
Банан – 26 мг
Виноград – 10 мг
Сливы, абрикосы – 12 мг
Груша, яблоко – 10 мг
Апельсин – 40 мг
Химические свойства кальция, его основные соединения
Кальций - химический элемент с атомным номером 20, расположен в
четвертом периоде в группе IIА периодической системы элементов
Менделеева; атомная масса 40,08. Относится к числу щелочноземельных
элементов. Природный кальций состоит из смеси нуклидов с массовыми
числами 40 (в смеси по массе 96,94 %), 44 (2,09%), 42 (0,667%), 48 (0,187%),
43 (0,135%) и 46 (0,003%). Конфигурация внешнего электронного слоя 4s2.
Практически во всех соединениях степень окисления кальция +2
(валентность II). Радиус нейтрального атома кальция 0,1974 нм, радиус иона
Cа2+ от 0,114 нм (для координационного числа 6) до 0,148 нм (для
координационного числа 12). Энергии последовательной ионизации
нейтрального атома кальция равны, соответственно, 6,133, 11,872, 50,91,
67,27 и 84,5 эВ. По шкале Полинга электроотрицательность кальция около
1,0. В свободном виде кальций - серебристо-белый металл.
Металл кальций существует в двух аллотропных модификациях. До
443°C устойчив a-Ca с кубической гранецентрированной решеткой (параметр
а = 0,558 нм), выше устойчив b-Ca с кубической объемно центрированной
решеткой типа a-Fe (параметр a = 0,448 нм). Температура плавления кальция
839°C, температура кипения 1484°C, плотность 1,55 г/см3. Химическая
активность кальция высока, но ниже, чем всех других щелочноземельных
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
щелочноземельные металлы, в плотно закрытой банке под слоем керосина. 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:
Ca + 2Н2О = Ca(ОН)2 + Н2.
С активными неметаллами (кислородом, хлором, бромом) кальций реагирует
при обычных условиях:
2Са + О2= 2СаО; Са + Br2= CaBr2.
При нагревании на воздухе или в кислороде кальций воспламеняется.
С менее активными неметаллами (водородом, бором, углеродом, кремнием,
азотом, фосфором и другими) кальций вступает во взаимодействие при
нагревании, например:
Са + Н2= СаН2 (гидрид кальция),
Ca + 6B = CaB6 (борид кальция),
3Ca + N2= Ca3N2 (нитрид кальция)
Са + 2С = СаС2 (карбид кальция)
3Са + 2Р = Са3Р2 (фосфид кальция), известны также фосфиды кальция
составов СаР и СаР2;
2Ca + Si = Ca2Si (силицид кальция), известны также силициды кальция
составов CaSi, Ca3Si4 и CaSi2.
Протекание указанных выше реакций, как правило, сопровождается
выделением большого количества теплоты (т. е. эти реакции -
экзотермические). Во всех соединениях с неметаллами степень окисления
кальция +2. Большинство из соединений кальция с неметаллами легко
разлагается водой, например:
СаН2 + 2Н2О = Са(ОН)2 + 2Н2,
Ca3N2 + 3Н2О = 3Са(ОН)2 + 2NН3.
Оксид кальция - типично основной. В лаборатории и технике его
получают термическим разложением карбонатов:
CaCO3 = CaO + CO2.
Технический оксид кальция СаО называется негашеной известью. Он
реагирует с водой с образованием Ca(ОН)2 и выделением большого
количества теплоты:
CaО + Н2О = Ca(ОН)2.
Полученный таким способом Ca(ОН)2 обычно называют гашеной
известью или известковым молоком из-за того, что растворимость гидроксида
кальция в воде невелика (0,02 моль/л при 20°C), и при внесении его в воду
образуется белая суспензия. При взаимодействии с кислотными оксидами
CaO образует соли, например:
CaО +СО2 = СаСО3;
СаО + SO3 = CaSO4.
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, средний ортофосфат Ca3(PO4)2, оксалат СаС2О4 и некоторые
другие. Важное значение имеет то обстоятельство, что в отличие от среднего
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:
СаСО3 + СО2+ Н2О = Са(НСО3)2.
В тех же местах, где вода, насыщенная гидрокарбонатом кальция,
выходит на поверхность земли и нагревается солнечными лучами, протекает
обратная реакция:
Са(НСО3)2 = СаСО3 + СО2+ Н2О.
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 жесткость воды. Временной ее 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
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:
4CaO + 2Al = CaAl2O4 + 3Ca.
Применение кальция и его соединений
До последнего времени металлический кальций почти не находил
применения. США, например, до второй мировой войны потребляли в год
всего 10...25 т кальция, Германия – 5...10 т. Но для развития новых областей
техники нужны многие редкие и тугоплавкие металлы. Выяснилось, что
кальции – очень удобный и активный восстановитель многих из них, и
элемент №20 стали применять при получении тория, ванадия, циркония,
бериллия, ниобия, урана, тантала и других тугоплавких металлов.
Способность кальция связывать кислород и азот позволила применить
его для очистки инертных газов и как геттер (Геттер – вещество, служащее
для поглощения газов и создания глубокого вакуума в электронных приборах)
в вакуумной радиоаппаратуре.
В черной металлургии кальций востребован как раскислитель,
связывающий одновременно углерод, серу, фосфор, азот. Обработка стали
кальцием или силикокальцием – одно из требований, предъявляемых рядом
стандартов США, Великобритании и стран Европейского содружества, что
объясняется комплексным влиянием кальция на улучшение свойств стали. С
разработкой и внедрением технологии внепечной обработки металла
порошковыми проволоками были решены не только производственные
проблемы, но и улучшены экологические условия труда (кальций исключает
пироэффект и разбрызгивание расплава при выпуске металла из плавильного
агрегата). Обрабатывать ковши с чугуном и сталью стало возможно при
заполнении их металлом на 95–98%, ввиду чего экономились энергоресурсы,
а расход ферросплавов и раскислителей снижался в 1,5–2 раза.
Использование порошковой проволоки для внепечной обработки позволило
производить доводку расплава в узких пределах по химическому составу и
качеству по неметаллическим включениям, при этом достигать более
высокой степени усвоения элементов, снижать удельный расход
раскисляющих и легирующих элементов на 10–50%.
В цветной металлургии кальций используется для металлотермического
восстановления при производстве чистых металлов и как легирующий
элемент при производстве сплавов (легирующая добавка к медным,
алюминиевым, марганцевым и другим сплавам). Сплавы на основе кальция
применяются для получения ферросилиция высокой чистоты, для
производства металлизированных стекол и коллекторов солнечного
излучения, как средство точного контроля включений в расплавах, кроме
того, эти сплавы востребованы в производстве свинца (для удаления
примесей висмута из свинцовых слитков), в производстве свинцовых
аккумуляторов (решетки свинцово-кислотных аккумуляторных батарей).
Кальций уменьшает способность к саморазряду аккумуляторных батарей,
придает им легкость и увеличивает срок их службы. Пластины, легированные
сплавом на основе кальция, имеют улучшенные литейные и механические
свойства, а также более высокую химическую стойкость в кислотном
электролите. Добавление всего 0,025–0,09% кальция (в зависимости от типа
батарей) улучшает механические свойства свинца (благодаря достижению
более быстрого дисперсионного твердения). Объем потребления кальциево-
алюминиевого сплава для производства свинцово-кислотных
аккумуляторных батарей на сегодня составляет 1500–2000 тонн в год. Еще
кальций востребован в производстве подшипников на основе свинца, а также
при изготовлении свинцовой оболочки кабелей. Широко применяются
сплавы кальция и в самолетостроении.
В металлообработке соединения кальция востребованы в качестве
составляющей смазочных материалов (например, при волочении проволоки),
в качестве присадок к маслам, ингибиторов коррозии, детергентов,
подавителей пены.
Электронная промышленность использует геттерные свойства кальция
для поглощения газов и создания глубокого вакуума в электронных приборах
(кальций в качестве газопоглотителя удаляет следы газов из вакуумных
трубок и электронных ламп).
В химической промышленности соединения кальция участвуют в
органическом синтезе (вместо каучука), они востребованы в производстве
цемента, карбида кальция, соды, белильных растворов, цианамида кальция,
известковой воды и т.п. Кальций входит в состав почти всех известковых
стекол (эти стекла пропускают только видимый свет и инфракрасные лучи, а
ультрафиолетовые задерживают). Благодаря способности нейтрализовать
кислоты и кислые производственные побочные продукты, соединения
кальция благоприятно влияют на экологию химических производств. Карбид
кальция востребован в производстве синтетического каучука, винилхлорида,
акрилонитрила, уксусной кислоты, этилена, хлорпроизводных ацетилена,
искусственной смолы, ацетона, стирола. Кроме того, соединения кальция в
виде карбоната кальция незаменимы в производстве линолеума, клея, лаков и
В резинотехнической промышленности соединения кальция позволяют
улучшать износостойкость резины, повышать ее эластичность и способность
к истиранию при различных температурах.
В целлюлозно-бумажной промышленности соединения кальция
используют для изготовления и отбеливания бумаги (например,
высококачественная бумага может содержать от 5 до 50% (по массе)
осажденного карбоната кальция). Гипохлорит кальция придает бумаге
яркость, непрозрачность, восприимчивость к чернилам, гладкость.
В нефтегазовой промышленности кальций служит для очистки нефти
(для удаления серы из нефтепродуктов) и газа. Хлористый кальций в виде
сухого порошка используют для устройства гидрозатворов скважин на
предприятиях нефтедобычи. В газовой промышленности – кальций
разделитель аргона и азота при производстве этих газов. Кальций также
служит для очистки аргона от примеси азота.
В строительстве соединения кальция используются для изготовления
бетона, кирпича, кровельных материалов, керамической плитки, корпусов
ванн, извести. Известняк в виде щебенки идет для укрепления дорог.
Строительный материал арболит, в состав которого входят отходы древесины,
цемент, хлористый кальций и вода – сегодня самый востребованный материал
для малоэтажного строительства. Такой материал не горит, не гниет, легко
пилится пилой, обрабатывается на станке. Мрамор в строительстве
используется для облицовки зданий. Из низкосортного мрамора делают
распределительные щиты и панели в электротехнике. Доломит – прекрасный
огнеупорный материал, его используют также в качестве сырья для
производства цемента. Мел применяют для побелки.
Карбонат кальция добавляют в шихту при изготовлении стекла для
понижения температуры плавления шихты и экономии электроэнергии, а
также для придания стеклу прозрачности и термоустойчивости. Раствором
хлорида кальция пропитывают древесину для придания огнестойкости. При
добавлении хлорида кальция в бетонные смеси – ускоряется процесс
схватывания и повышается конечная прочность бетона.
В фармакологии и медицине соединения кальция используются для
изготовления витаминов, таблеток, пилюль, инъекций, антибиотиков, а также
для изготовления ампул, медицинской посуды. Кальция в организме
взрослого человека 1,3–1,5 кг. Как известно, он один из биогенных элементов,
необходимых для нормального протекания жизненных процессов,
присутствует во всех тканях и жидкостях, составляет основу костной ткани,
хрящей и зубов. Усваивается и доставляется кальций в костную ткань с
помощью магния. Кальций в плазме крови влияет на ее свертываемость,
управляет очищением кровотока, регулирует поток крови в сосудах. Он же
передает команду мышцам расслабляться или сокращаться, он же
активизирует деятельность важнейших ферментов в поджелудочной железе.
В сердечно-сосудистой системе он управляет биением сердца, в нервной –
передает сигналы от мозга в каждую конкретную точку тела, в иммунной
системе – стабилизирует защитные механизмы, повышает устойчивость
организма к болезням и действию неблагоприятных внешних факторов. Без
кальция все жиры, липиды и холестерин осели бы на стенках сосудов. Он
способствует выделению из организма солей тяжелых металлов и
радионуклидов, выполняет антиоксидантные функции. Кальций используется
в ортомолекулярной терапии, так как биологическими действиями кальция
являются минерализование костей и зубов, седативное, противосудорожное,
нормализующее реологические свойства крови, противоаллергическое,
ингибирующее всасывание свинца и другие.
В быту кальций используется в качестве наполнителя чистящих
средств, зубной пасты, гуталина, косметики (кремы, губная помада, пудра),
для обработки питьевой воды. В качестве дезинфицирующего средства очень
эффективна хлорная известь - «хлорка» Ca(OCl)Cl - смешанный хлорид и
гипохлорид кальция, обладающий высокой окислительной способностью.
Мел используют для побелки. Хлорид кальция CaCl2 используют наряду с
поваренной солью для борьбы с оледенением дорожных покрытий. Фторид
кальция СаF2 - прекрасный оптический материал.
Кальций нашел достойное применение в пищевой и
сельскохозяйственной промышленности. Например, при получении сахара
используют реакцию сырого сахарного сиропа с известью (тростниковый
сахар требует около пяти кг извести на тонну, а свекловичный сахар – во сто
раз больше (полтонны извести на тонну сахара)). При обработке раствором
цианамида кальция, растения сбрасывают листья, что позволяет использовать
на полях машины (например, во время уборки хлопка). А кальциевая селитра
– прекрасное азотное удобрение.
В молочной промышленности соединения кальция добавляют к
сливкам (в виде известковой воды) для отделения их от цельного молока. В
холодильной технике хлорид кальция используется в качестве компонента
рассолов для холодильных установок.
Помимо перечисленного, соединения кальция используют в
автомобильной промышленности для заполнения шин транспорта. Хлоридом
кальция посыпают трассы и взлетные полосы (от обледенения), он также
защищает руды и уголь от замерзания при транспортировке и хранении. А
если полить раствором хлористого кальция дорогу, то она останется влажной
намного дольше, чем после поливки водой (так как упругость пара над
раствором хлористого кальция очень мала и раствор поглощает влагу из
воздуха и долго не сохнет).
Нашли свое применение в жизни и изотопы кальция. Изотоп 45Са,
который получают путем облучения металлического кальция или его
соединений нейтронами в урановом реакторе, широко используют в биологии
и медицине в качестве изотопного индикатора при изучении процессов
минерального обмена в организме. В металлургии – с помощью изотопов
кальция можно обнаружить источники загрязнения стали и сверхчистого
железа соединениями кальция в процессе плавки.
Токсикология
Кальций участвует в работе ионных каналов, осуществляющих
транспорт веществ через биологические мембраны, в передаче нервного
импульса, в процессах свертывания крови и оплодотворения. Регулируют
обмен кальция в организме кальциферолы (витамин D). Недостаток или
избыток кальция в организме приводит к различным заболеваниям - рахиту,
кальцинозу и другим. Поэтому пища человека должна в нужных количествах
избыток кальция приводит к отложению солей в суставах и камням в почках,
а недостаток – к хрупкости костей и выпадению зубов.
Арсенит кальция Са3(AsO3)2 – является очень ядовитым веществом,
применяется как инсектицид (химический препарат для уничтожения
вредных насекомых). При вдыхании появляются симптомы: кашель, боли в
горле, головная боль, затрудненное дыхание, слабость.
Основные проявления избытка кальция:
Подавление возбудимости скелетных мышц и нервных волокон;
Уменьшение тонуса гладких мышц;
Гиперкальциемия, повышение содержания кальция в плазме крови;
Повышение кислотности желудочного сока, гиперацидный гастрит,
язвы желудка;
Кальциноз, отложение кальция в органах и тканях (в коже и подкожной
клетчатке; соединительной ткани по ходу фасций, сухожилий,
апоневрозов; мышцах; стенках кровеносных сосудов; нервах);
Брадикардия, стенокардия;
Подагра, обызвествление туберкулезных очагов и т.д.;
Увеличение содержания солей кальция в моче;
Нефрокальциноз, почечно-каменная болезнь;
Увеличение свертываемости крови;
Увеличение риска развития дисфункции щитовидной и
околощитовидных желез, аутоиммунного тиреоидита;
Вытеснение из организма фосфора, магния, цинка, железа.
Роль в природе
В любом водоеме растворены соли кальция. Ручейки и реки несут в
моря и океаны соединение кальция - бикарбонат. В теплых и насыщенных
солями водах морей карбонат кальция превращается в среднюю соль, которая
выпадает в осадок, опускаясь на дно и формируя мощные пласты известняков
так называемые осадочные породы хемогенного (не биологического)
происхождения. Моллюски, крабы, многие простейшие организмы строят
прочные панцири-раковины, которые после гибели своих хозяев
скапливаются на дне водоемов, образуя залежи ракушечника и мела.
Коралловый риф - это огромная колония, составленная из миллиардов
крохотных существ - коралловых полипов. Они впитывают кальций,
растворенный в морской воде, образуя из него известковый остов колонии.
Ион Са2+, наряду с пластической и структурной функциями (основа
минерального компонента костной ткани), играет решающую роль в
осуществлении многих физиологических и биохимических процессов. Он
необходим для нормальной возбудимости нервной системы и сократимости
мышц, является активатором ряда ферментов и гормонов и важнейшим
компонентом свертывающей системы крови. Действуя сообща, фосфор и
кальций делают кости крепкими, а зубы здоровыми, кальций участвует в
свертывании крови, регулирует проницаемость клеточных мембран и
нормализует работу некоторых эндокринных желез, а так же свойства
кальция помогают избавиться от бессонницы.
Кальций также очень важен для растений. Он влияет на обмен
углеводов и белковых веществ. Потребность в кальции проявляется в самые
ранние сроки роста, он необходим для построения растения. Отсутствие
кальция подавляет переработку и усвоение запасных питательных веществ
(крахмала, белков), которые используются проростками, молодыми листьями
и растущими побегами. Это может привести к усыханию молодых растущих
частей растения и затем к гибели всего растения.
Кальций, регулирует водный баланс, связывает кислоты почвы,
обеспечивает нормальные условия для развития корневой системы растений,
улучшает растворимость многих соединений в почве. Он способствует
поглощению растениями важных элементов питания, влияет на доступность
растениям ряда макро- и микроэлементов. При увеличении количества
кальция в почве возрастает поступление в растение ионов аммония,
молибдена, но снижается подвижность марганца, цинка, бора.
Также кальций влияет на плодородность почвы: стимулирует
активность полезных микроорганизмов, которые минерализируют азот в
компостных кучах; уменьшает кислотность почвы и ускоряет процессы
аммонификации и окисления серы; способствует образованию гумуса;
ускоряет разложение органических веществ в почве; снижает токсичность
железа, марганца и алюминия путем нейтрализации их избыточных
количеств. Кальций улучшает механический состав почвы и, таким образом,
улучшает ее воздухо- и водопроницаемость; способствуют образованию
структуры (агрегатов) почвы.
История кальция
Кальций был открыт в 1808 году Хэмфри Дэви, который путём электролиза гашеной извести и оксида ртути получил амальгаму кальция, в результате процесса выгонки ртути из которой и остался металл, получивший название кальций. На латыни известь звучит как calx , именно это название и было выбрано английским химиком для открытого вещества.
Кальций является элементом главной подгруппы II группы IV периода периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, имеет атомный номер 20 и атомную массу 40,08. Принятое обозначение - Ca (от латинского - Calcium).
Физические и химические свойства
Кальций является химически активным мягким щелочным металлом серебристо-белого цвета. Из-за взаимодействия с кислородом и углекислым газом поверхность металла тускнеет, поэтому кальций нуждается в особом режиме хранения - в обязательном порядке плотно закрытая ёмкость, в которой металл заливают слоем жидкого парафина или керосина.
Кальций - наиболее известный из необходимых человеку микроэлементов, суточная потребность в нём составляет от 700 до 1500 мг для здорового взрослого человека, но она увеличивается во время беременности и лактации, это нужно учитывать и получать кальций в виде препаратов.
Нахождение в природе
Кальций имеет очень высокую химическую активность, поэтому в свободном (чистом) виде не встречается в природе. Тем не менее, является пятым по распространённости в земной коре, в виде соединений имеется в осадочных (известняк, мел) и горных породах (гранит), много кальция содержит полевой шпат анорит.
В живых организмах распространён достаточно широко, его наличие обнаружено в растениях, организмах животных и человека, где он присутствует, в основном, в составе зубов и костной ткани.
Усвояемость кальция
Препятствием для нормального усвоения кальция из пищевых продуктов является употребление в пищу углеводов в виде сладостей и щелочей, которые нейтрализуют соляную кислоту желудка, необходимую для растворения кальция. Процесс усвоения кальция достаточно сложен, поэтому иногда недостаточно получать его только с пищей, необходим дополнительный приём микроэлемента.
Взаимодействие с другими
Для улучшения всасывания кальция в кишечнике необходим , который имеет свойство облегчать процесс усвоения кальция. При приёме кальция (в виде добавок) в процессе еды происходит блокировка всасывания , но приём препаратов кальция отдельно от пищи никак не влияет на этот процесс.
Почти весь кальций организма (от 1 до 1,5 кг) находится в костях и зубах. Кальций участвует в процессах возбудимости нервной ткани, сократимости мышц, процессах свертываемости крови, входит в состав ядра и мембран клеток, клеточных и тканевых жидкостей, обладает антиаллергическим и противовоспалительным действием, предотвращает ацидоз, активирует ряд ферментов и гормонов. Кальций также участвует в регуляции проницаемости клеточных мембран, оказывает действие, противоположное .
Признаки нехватки кальция
Признаками нехватки кальция в организме являются такие, на первый взгляд, не связанные между собой симптомы:
- нервозность, ухудшение настроения;
- учащённое сердцебиение;
- судороги, онемение конечностей;
- замедление роста и детей;
- повышенное артериальное давление;
- расслоение и ломкость ногтей;
- боль в суставах, понижение «болевого порога»;
- обильные менструации.
Причины нехватки кальция
Причинами нехватки кальция могут служить несбалансированные диеты (особенно голодания), низкое содержание кальция в пище, курение и увлечение кофе и кофеинсодержащими напитками, дисбактериоз, болезни почек, щитовидной железы, беременность, периоды лактации и менопаузы.
Избыток кальция, который может возникнуть при чрезмерном употреблении молочных продуктов или неконтролируемом приёме препаратов, характеризуется сильной жаждой, тошнотой, рвотой, потерей аппетита, слабостью и усиленным мочеотделением.
Применение кальция в жизни
Кальций нашёл применение в металлотермическом получении урана, в виде природных соединений используется как сырьё для производства гипса и цемент, как средство дезинфекции (всем известная хлорка ).
Из него сложен костный скелет, но организм не способен вырабатывать элемент самостоятельно. Речь о кальции. Взрослым женщинам и мужчинам в сутки необходимо получать не менее 800-от миллиграммов щелочноземельного металла. Извлечь его удается из овсянки, фундука, молока, ячневой крупы, сметаны, фасоли, миндаля.
Кальций содержится и в горохе, горчице, твороге. Правда, если сочетать их со сладостями, кофе, колой и продуктами, богатыми щавелевой кислотой, усвояемость элемента падает.
Желудочная среда становится щелочной, кальций захватывается в нерастворимые и выводится из организма. Кости и зубы начинают разрушаться. Что же такого в элементе, раз он стал одним из самых важных для живых существ и есть ли веществу применение вне их организмов?
Химические и физические свойства кальция
В периодической системе элемент занимает 20-е место. Оно находится в главной подгруппе 2-ой группы. Период, к которому принадлежит кальций, 4-ый. Это значит, что у атома вещества 4 электронных уровня. На них расположены 20 электронов, на что указывает атомный номер элемента. Он же свидетельствует и о его заряде — +20.
Кальций в организме , как и природе, — щелочноземельный металл. Значит, в чистом виде элемент серебристо-белый, блестящий и легкий. Твердость щелочноземельных металлов выше, чем у щелочных.
Показатель кальция – около 3-х баллов по . Такой же твердостью обладает, к примеру, гипс. 20-ый элемент режется ножом, но значительно труднее, чем любой из просто щелочных металлов.
В чем суть названия «щелочноземельный»? Так кальций и другие металлы его группы окрестили алхимики. Оксиды элементов они именовали землями. Оксиды веществ группы кальция сообщают воде щелочную среду.
Однако, , радий, барий, как и 20-ый элемент, встречаются не только в сочетании с кислородом. В природе много солей кальция. Наиболее известная из них – минерал кальцит. Углекислая форма металла – небезызвестные мел, известняк и гипс. Каждый из них, это карбонат кальция .
Есть у 20-го элемента и летучие соединения. Они окрашивают пламя в оранжево-красный, что становится одним из маркеров для определения веществ.
Горят все щелочноземельные металлы легко. Чтобы кальций вступил в реакцию с кислородом, достаточно обычных условий. Только вот в природе элемент не встречается в чистом виде, лишь в соединениях.
Окси кальция – пленка, которой покрывается металл, окажись он на воздухе. Налет желтоватый. В нем скрыты не только стандартные окислы, но и перекиси, нитриды. Окажись кальций не на воздухе, а в воде, он вытеснит из нее водород.
При этом, выпадает осадок – гидроксид кальция . Остатки чистого металла всплывают на поверхность, подталкиваемые пузырьками водорода. Та же схема работает и с кислотами. С соляной, например, в осадок выпадает хлорид кальция и выделяется водород.
Для некоторых реакций нужна повышенная температура. Если она дойдет до 842-х градусов, кальций можно расплавить. При 1 484-х по шкале Цельсия металл закипает.
Раствор кальция , как и чистый элемент, хорошо проводит тепло и электрический ток. Но, если вещество сильно нагрето, металлические свойства теряются. То есть, их нет ни у расплавленного, ни у газообразного кальция.
В организме человека элемент представлен и твердым, и жидким агрегатным состояниями. Размягченный кальций вода , которая присутствует в , переносит легче. За пределами костей находится лишь 1% 20-го вещества.
Однако, его транспортировка по тканям играет важную роль. Кальций крови регулирует сокращение мышц, в том числе и сердечных, поддерживает в норме артериальное давление.
Применение кальция
В чистом виде металл находит применение в . Они идут на аккумуляторные решетки. Присутствие в сплаве кальция на 10-13% снижает саморазряд батарей. Это особенно важно для стационарных моделей. Из смеси свинца и 20-го элемента изготавливают, так же подшипники. Один из сплавов так и называется – подшипниковый.
На фото продукты, содержащие кальций
В сталь щелочноземельный металл добавляют, чтобы очистить сплав от примесей серы. Восстановительные свойства кальция пригождаются и при производстве урана, хрома, цезия, рубидия, .
Какой кальций применяют в черной металлургии? Все тот же чистый. Разница в назначении элемента. Теперь, он играет роль . Это добавка к сплавам, снижающая температуру их формирования и облегчающая отделение шлаков. Гранулы кальция засыпают в электровакуумные приборы, чтобы удалить из них следы воздуха.
48-ой изотоп кальция пользуется спросом на атомных предприятиях. Там производят сверхтяжелые элементы. Сырье получают на ускорителях ядер. Разгоняют их при помощи ионов – своеобразных снарядов. Если в их роли выступает Ca48, эффективность синтеза увеличивается в сотни раз по сравнению с использованием ионов других веществ.
В оптике 20-ый элемент ценят уже в качестве соединений. Фторид и вольфрамат кальция становятся линзами, объективами и призмами астрономических приборов. Встречаются минералы и в лазерной технике.
Фторид кальция геологи именуют флюоритом, а вольфрамид – шеелитом. Для оптической промышленности отбирают их монокристаллы, то есть отдельные, крупные агрегаты с непрерывной решеткой и четкой формой.
В медицине, так же, прописывают не чистый металл, а вещества на его основе. Они проще усваиваются организмом. Глюконат кальция – наиболее дешевое средство, используется при остеопорозе. Препарат «Кальций Магний » прописывают подросткам, беременным женщинам и пожилым гражданам.
Им БАД нужен, чтобы обеспечить повышенную потребность организма в 20-ом элементе, избежать патологий развития. Кальциево-фосфорный обмен регулирует «Кальций Д3» . «Д3» в названии средства говорит о наличии в нем витамина D. Он редок, но нужен для полноценного усвоения кальция .
Инструкция к «Кальцию никомед3» указывает, что препарат относится к фармацевтическим составам комбинированного действия. То же говорится и о хлористом кальции . Он не только восполняет дефицит 20-го элемента, но и спасает от интоксикаций, а так же, способен заместить плазму крови. При некоторых патологических состояниях это бывает необходимо.
В аптеках выставлен и препарат «Кальций – кислота аскорбиновая». Такой дуэт прописывают при беременности, во время кормления грудью. Нуждаются в добавке и подростки.
Добыча кальция
Кальций в продуктах , минералах, соединениях, известен человечеству издревле. В чистом же виде металл выделили лишь в 1808-ом году. Удача улыбнулась Хемфри Дэви. Английский физик добыл кальций путем электролиза расплавленных солей элемента. Этот способ применяют и сейчас.
Однако, промышленники чаще прибегают ко второму методу, открытому уже после изысканий Хемфри. Кальций восстанавливают из его оксида. Реакцию запускают порошком , иногда, . Взаимодействие проходит в условиях вакуума при повышенных температурах. Впервые выделили кальций таким путем в середине прошлого века, в США.
Цена кальция
Производителей металлического кальция немного. Так, в России поставками занимается, в основном, Чапецкий Механический завод. Он находится в Удмуртии. Предприятие торгует гранулами, стружкой и кусковым металлом. Ценник за тонну сырья держится в районе 1 500 долларов.
Товар предлагают и некоторые химические лаборатории, к примеру, общество «Русский Химик». Последнее, предлагает 100-граммовый кальций. Отзывы свидетельствуют, что это порошок под маслом. Стоимость одной упаковки – 320 рублей.
Кроме предложений купить реальный кальций, в интернете торгуют и бизнес-планами по его производству. Примерно за 70 страниц теоретических выкладок просят около 200-от рублей. Большинство планов составлено в 2015-ом году, то есть, еще не утратили актуальность.
В таблице Менделеева описаны различные элементы. Каждый элемент имеет множество свойств, которые применяются в производстве, медицине и повседневной жизни. Среди прочих элементов находится и кальций, который играет огромную роль в нашей жизни. Однако не каждый человек понимает, что такое кальций.
Рассмотрим подробнее все эти вопросы.
Химический элемент кальций
В таблице Менделеева кальций обозначается значком «Са» и находится в главной подгруппе второй группы четвертого периода таблицы. Кальций является мягким металлом серебристо-белого цвета, который химически активен.
Название кальция происходит из латинского языка. Название на латинском языке означает «известь, мягкий камень». Кальций стал известен в 1808 году, когда английский химик Хэмфри Дэви выделил это вещество.
Где встречается кальций
Кальций не встречается в свободном виде в природе из-за своей химической активности. В природе можно найти только соединения содержащие кальций:
- В виде изотопов, которых в природе всего шесть штук. Шестой изотоп кальция менее стабильный и очень редкий.
- В минералах и горных породах. Чаще всего кальций встречается в составе минерала кальцита (известь, мел) или кристаллического кальцита, который называют мрамором.
- В воде. Кальций и магний в воде определяют жесткость воды.
- В земной коре. Из-за своей химической активности кальций мигрирует и накапливается в различных местах. Кальций образует 385 минералов, занимая четвертое место среди элементов по количеству образующихся минералов.
- В биосфере. Достаточно большое количество кальция всегда присутствует в организмах живых существ и выполняет значительную роль в регуляции жизнедеятельности. Кальций присутствует в костях, панцирях, яичной скорлупе, раковинах и др.
Как видно, кальций является важным элементов в нашей жизни. Рассмотрим подробнее его свойства.
Свойства кальция
В промышленности часто используют именно химические свойства кальция:
- Кальций легко соединяется и взаимодействует с кислородом, углекислым газом и влажным воздухом. Именно поэтому кальций в лаборатории хранят в закрытом боксе под слоем керосина или парафина, чтобы избежать взаимодействия с окружающей средой и порчей материала.
- Кальций активно взаимодействует с водой, с активными неметаллами.
- С менее активными элементами неметаллического происхождения кальций взаимодействует только при нагревании. При этом, если такое соединение поместить в воду, то оно распадается. Поэтому нередко под земной корой образуются гигантские пустые полости.
- Если в воде присутствует гидрокарбонат кальция, то при кипячении воды он распадается и появляется осадок, который мы называем накипью.
Где используют кальций
Исходя из этих свойств кальций применяют:
- В промышленности для получения чистых металлов благодаря реакции восстановления. Кальций также применяется для получения трудно восстанавливаемых металлов вроде хрома, урана и тория.
- В электронике, где сплав кальция со свинцом применяют в аккумуляторах.
- Кальций отлично подходит для получения новых элементов таблицы Менделеева благодаря своему тяжелому изотопу, который очень устойчив.
- Кальций находится в скелете и зубах, поэтому без него эти биологические конструкции становятся ломкими и разрушаются. Поэтому кальций применяется в медицине и пищевой промышленности при создании специальных таблеток, содержащих небольшие дозы кальция, который способен усвоиться организмом. Помимо этого кальций регулирует множество других функций организма и играет огромную роль в жизнедеятельности.
Но все это было бы невозможно, если бы кальций не смогли получить в чистом виде.
