Физические и химические свойства кальция: получение и применение

Ведение………………………………………………………………………. 3

I. Основная часть……………………………………………………………. 4

I. 1 История открытия………………………………………………………. 4

I. 2 Нахождение в природе…………………………………………………. 4

I. 3 Получение……………………………………………………………….. 6

I. 4 Физические свойства…………………………………………………… 7

I. 5 Химические свойства............................................................................... 9

I. 6 Применение металлического кальция…………………………………10

I. 7 Соединение кальция…………………………………………………… 11

I. 8 Жесткость воды…………………………………………………………14

I. 9 Применение соединений кальция…………………………………….. 18

I. 10 Биологическая роль…………………………………………………... 21

II. Заключение……………………………………………………………… 25

III. Список и источники литературы............................................................ 27

 

Введение  

 

Химия- это наука о веществах, их строении, свойствах и взаимопревращениях.

Химия тесно связана с другими  естественными науками: физикой, биологией, геологией. Многие разделы современной  науки возникли на стыке этих наук: физическая химия, геохимия, биохимия. 

Новая специальность в системе  химических дисциплин под названием  «Классификация и сертификация товаров  на основе химического состава» основана в 1997 году узбекскими учеными И.Р. Аскаровым  и Т.Т. Рискиевым. Важное значение в формировании этой новой химической дисциплины имели результаты научных исследований, проводимых такими узбекскими учеными как А.А. Ибрагимов, Г.Х. Хамракулов, М.А. Рахимджанов, М.Ю. Исаков, К.М. Каримкулов, О.А. Ташпулатов, А.А. Намазов, Б.Я. Абдуганиев, Ш.М. Миркамилов, О. Кулимов, Н.Х. Тухтабоев и другие.

Кальций – являясь щелочноземельным металлом, один из самых важных элементов на Земле.

Кальций очень важен как для  человека, так и для животных и  растений.

Естественно, что, обладая такими химическими  свойствами, кальций не может находиться в природе в свободном состоянии. Зато соединения кальция – и природные и искусственные – приобрели первостепенное значение.

Ка́льций — элемент главной подгруппы второй группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 20, следовательно, ядро атома кальция имеет 20 положительных зарядов, образованных 20 протонами; число нейтронов в ядре 40 – 20 = 20. 20 электронов, нейтрализующих заряд ядра, расположены на четырех уровнях энергии. Относительная атомная масса 40.078(4). Обозначается символом Ca (лат. Calcium).

I. Основная часть

I. 1 История открытия

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 Hg₂O 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.

I. 2 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.

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, известняк, мрамор, мел CaCO₃,

   - ангидрит CaSO₄,

   - алебастр CaSO₄·0.5H₂O

   - гипс CaSO₄·2H₂O,

   - флюорит CaF₂,

   - фосфиты и апатиты Ca₃(PO₄)₂(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).

      Рис1. Залежи кальция в соленых наплывах

Соединения кальция находятся практически во всех животных и растительных тканях. Значительное количество кальция входит в состав живых организмов. Так, гидроксиапатит Ca₃(PO₄)₂OH, 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).

I. 3 Получение

В промышленности кальций  получают двумя способами:

Нагреванием брикетированной  смеси СаО и порошка Аl при 1170 - 1200 °С в вакууме 0,01 – 0,02 мм . рт. ст.; выделяющиеся по реакции:

         6СаО + 2Аl = 3CaO · Al₂O₃ + 3Ca

Пары кальция конденсируются на холодной поверхности.

Электролизом расплава СаСl₂ (75-80 %) и КСl с жидким медно-кальциевым катодом приготовляют сплав Сu – Ca (65% Ca ), из которого кальций отгоняют при температуре 950 – 1000 °С в вакууме 0,1 – 0,001 мм .рт.ст. или из (6 частей) CaCl₂ и (1 часть) CaF_2.

Разработан также способ получения кальция термической  диссоциацией карбида кальция СаС₂.

I. 4 Физические свойства

Внешний вид  простого вещества
Рис2. Умеренно твёрдый, серебристо-белый металл
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
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)
Плотность (при н. у.)	1,55 г/см³
Температура плавления	842 oС
Теплота плавления	9,20 кДж/моль
Теплота испарения	153,6 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	25,9 Дж/(K·моль)
Молярный объём	29,9 см³/моль
Структура решётки	кубическая гранецентрированная
Параметры решётки	5,580 Å
Температура Дебая	230 K
Теплопроводность	(300 K) (201) Вт/(м·К)

 

Простое вещество кальций — мягкий, химически активный щёлочноземельный металл серебристо-белого цвета.

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 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).

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.

I. 5 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.

На внешнем энергетическом уровне находится 2 электрона. Во всех соединениях  степень окисления кальция +2.

В ряду стандартных потенциалов  кальций расположен слева от водорода.

- Стандартный электродный потенциал пары Ca²⁺/Ca⁰ −2,84 В, так что кальций активно реагирует с холодной водой (с горячей водой реакция протекает более энергично), но без воспламенения:

        

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

        

        

         Ca + Cl₂        CaCl₂

- 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:

        

        

        

        

        

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

- Кроме силицида кальция Ca₂Si известны также силициды кальция составов CaSi, Ca₃Si₄ и CaSi₂.

         

Протекание указанных  выше реакций, как правило, сопровождается выделением большого количества теплоты.

- Кальций восстанавливает менее  активные металлы из их оксидов  и галогенидов

          2Ca + TiO₂        2CaO + Ti

          2Ca + TiCl₂       2CaCl₂ + Ti

- Большинство из соединений кальция с неметаллами легко разлагается водой, например:

        

        

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

I. 6 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.

 

1. Металлотермия

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

2. 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.

3. 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.

I. 7 Соединения кальция

1. Оксид кальция CaO (негашеная известь, жженая известь, кипелка) белое тугоплавкое вещество.

    Получают при  обжиге известняка или мела  при высокой температуре      (выше 900 ^oС):