Физические и химические свойства кальция: получение и применение

          CaCO₃ = CaO + CO₂       

Оксид кальция реагирует водой с образованием гашенной извести и выделением большого количества тепла: 

          CaO + H₂O = Ca(OH)₂ + Q

2. Гидроксид кальция Ca(OH)₂ – сильное основание, мало растворимое в воде.

Ca(OH)₂ используется в различных видах:

   - гашеная известь – тонкий рыхлый порошок, «пушонка», получаемый при  действии воды на негашеную известь CaO:

          CaO + H₂O = Ca(OH)₂

Тестообразная смесь  гашеной извести с цементом, водой  и песком используется в строительстве. При поглощении углекислого газа из воздуха эта смесь затвердевает:

          Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃ + H₂O

   - известковое молоко – это взвесь частиц гашеной извести Ca(OH)₂ в известковой воде.

Используется для побелки в строительстве, дезинфекции стволов деревьев, в сахарной промышленности, для дубления кож, для получения хлорной извести.

   - известковая вода – насыщенный водный раствор Ca(OH)₂

Раствор на воздухе мутнеет за счет поглощения углекислого газа из воздуха.

Но при длительном пропускании углекислого газа раствор  становится

прозрачным из-за образования растворимого гидрокарбоната кальция:   

 

          CaCO₃ + CO₂ + H₂O = Ca(HCO₃)₂                  

 

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.

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.

3. Хлорная известь - является сильным окислителем, главной составной частью которой является соль CaOCl₂, образующаяся при взаимодействии сухой гашеной извести с хлором: 

 

          Ca(OH)₂ + Cl₂ = CaOCl₂ + H₂O   

 

Хлорная известь –  белый порошок с резким запахом, который во влажном воздухе под действием углекислого газа постепенно разлагается, выделяя хлорноватистую кислоту:           

 

          2CaOCl₂ + CO₂ + H₂O = CaCO₃ + CaCl₂ + 2HClO

 

На свету хлорноватистая кислота разлагается: 

 

          2HClO = 2HCl + O₂                

 

При действии на хлорную известь  соляной кислоты выделяется хлор: 

 

          CaOCl₂ + 2HCl = CaCl₂ + Cl₂ + H₂O

 

На этом основаны отбеливающие и дезинфицирующие свойства хлорной  извести.

4. Гипс CaSO₄·2H₂O – природный минерал кальция.

При нагревании до150-180 °С гипс теряет ¾ кристаллизационной воды и

переходит в алебастр или жженый гипс.        

 

          2CaSO₄*2H₂O      2CaSO₄*H₂O + 3H₂O

 

При смешивании с водой алебастр быстро затвердевает, снова превращается

в гипс:         

 

          2CaSO₄*H₂O + 3H₂O       2CaSO₄*2H₂O

 

Это свойство гипса используется для изготовления отливочных форм и  слепков с различных предметов, а так же в качестве вяжущего материала  в строительстве для штукатурки и другие. Гипс широко используется в медицине для изготовления гипсовых повязок.

При нагревании гипса при температуре выше 180 °С образуется безводный гипс (ангидрид кальция, или мертвый гипс), не способный уже присоединять воду.

          CaSO₄*2H₂O      CaSO₄ + H₂O    

 

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.

 

I. 8 Жесткость воды 

 

В природе чистая вода не встречается: она всегда содержит примеси каких-либо веществ. В частности, взаимодействия с солями, содержащимися  в земной коре, она приобретает  определенную жесткость.

Жесткость воды – совокупность свойств, обусловленных содержанием в воде катионов кальция Са²⁺ и катионов магния Mg²⁺.

Если концентрация этих катионов велика, то воду называют жесткой, если мала – мягкой. Именно они придают специфические свойства природным водам. При стирке белья жесткая вода ухудшает качество тканей и требует повышенной затраты мыла которое расходуется на связывание катионов Са²⁺ и Mg²⁺ :

          2C₁₇H₃₅COO^-- + Ca²⁺ = (C₁₇H₃₅COO)₂Ca

          2C₁₇H35COO^-- + Mg²⁺ = (C₁₇H₃₅COO)₂Mg

 

и пена образуется лишь после  полного освобождения этих катионов. Правда, некоторые синтетические моющие средства хорошо моют в жесткой воде, так как их кальциевые и магниевые соли легко растворяются. В жесткой воде с трудом развариваются пищевые продукты, а сваренные в ней овощи не вкусны. Очень плохо заваривается чай и вкус его теряет. В то же время в санитарно-гигиеническом отношении эти катионы не представляют опасности, хотя при большом содержании катионов магния Mg²⁺ (как в море или в океане) вода горьковата на вкус и оказывает послабляющее действие на кишечник человека.

Жесткая вода непригодная  для использования в паровых  котлах: растворенные в ней соли при кипячении образуют на стенках  котлов слой накипи, который плохо проводит тепло. Это вызывает перерасход топлива, преждевременный износ котлов, а иногда, в результате перегрева котлов, и аварии. Жесткость воды вредна для металлических конструкций, трубопроводов, кожухов охлаждаемых машин.

Катион кальция Са²⁺ обуславливают кальциевую жесткость, а катион магния Mg²⁺ - магниевую жесткость воды. Общая жесткость складывается из кальциевой и магниевой, то есть из суммарной концентрации в воде катионов Са²⁺ и Mg²⁺.

По отношению к процессам  умягчения воды различают жесткость карбонатную некарбонатную. Карбонатной называется жесткость, вызванная присутствием той части катионов Са²⁺ и Mg²⁺ , которая эквивалентна содержащимся в воде гидрокарбонатным ионам НСО₃. Иными словами, карбонатная жесткость вызвана присутствием гидрокарбонатов кальция и магния. При кипячении гидрокарбонаты разрушаются, а образующиеся малорастворимые карбонаты выпадают в осадок, и общая жесткость воды уменьшается на значение карбонатной жесткости. Поэтому карбонатную жесткость называют также временной жесткостью. При кипячении катионы кальция Са²⁺ осаждаются в виде карбоната кальция:

          Ca²⁺ + 2HCO₃ = CaCO₃ + H₂O + CO₂

 

а катионы магния Mg²⁺ - в виде основного карбоната или в виде гидроксида магния (при рН  > 10.3):

          2Mg²⁺ + 2HCO₃ + 2OH^-- = (MgOH)₂CO₃ + H₂O + CO₂

 

(гидроксид-ион ОН^- образуется за счет взаимодействия ионов НСО₃ с водой: НСО₃ + Н₂О == Н₂СО₃ + ОН^--)

Остальная часть жесткости, сохраняющиеся после кипячения  воды, называется некарбонатной. Она определяется содержанием в воде кальциевых и магниевых солей сильных кислот, главным образом сульфатов и хлоридов. При кипячении эти соли не удаляются, а поэтому некарбонатную жесткость называют постоянной жесткостью.

Рассмотрим количественную характеристику жесткости воды. Степень  жесткости воды выражается по-разному. В нашей стране ее выражают числом миллиэквивалентов (мэкв) катионов Са²⁺ и Mg²⁺ , содержащихся в 1 л воды. Так как 1 мэкв жесткости отвечает содержание 20,04 мг/л катионов Са²⁺ или 12,16 мг/л катионов Mg²⁺ , то согласно определению, общую жесткость воды Ж (в мэкв/л) можно вычислить по формуле

                                               [Ca ]     [Mg ]    

                                       Ж = 20.04     12.16

где [Ca²⁺] и [Mg²⁺] – концентрация ионов Са²⁺ и Mg²⁺ , мг/л.

По значению жесткости  природную воду различают как  очень мягкую – с жесткостью до 1,5; мягкая от 1,5 до 4; средний жесткости – от 4 до 8; жесткую – от 8 до 12 и очень жесткую – свыше 12 мэкв/л.

Жесткость воды хозяйственно-питьевых не должна превышать 7 мэкв/л.

Очень часто жесткую  воду перед употреблением умягчают. Обычно это достигает обработкой воды различными химическими веществами. Так, карбонатную жесткость можно устранить добавлением гашеной извести:

          Ca²⁺ + 2HCO₃ + Ca²⁺ + 2OH^-- = 2CaCO₃ + 2H₂O

          Mg²⁺ + 2HCO₃ + 2Ca²⁺ + 4OH^-- = Mg(OH)₂ + 2CaCO₃ +H₂O

 

При одновременном добавлении извести и соды можно избавится  от карбонатной и некарбонатной  жесткости (известково-содовый способ). Карбонатная жесткость при этом устраняется известью, а некарбонатная – содой:

          Ca²⁺ + CO₃ = CaCO₃ ;                   

          Mg²⁺ + CO₃ = MgCO₃ ;

 

и далее

          MgCO₃ + Ca²⁺ + 2OH^-- = Mg(OH)₂  + CaCO₃

 

Применяются и другие способы устранения жесткости воды, среди которых один из наиболее современных основан на применении катионов (катионитный способ). Имеются твердые вещества, которые содержат в своем составе подвижные ионы, способные обмениваться на ионы внешней среды. Они получили название ионитов. Особенно распространены ионообменные смолы, получаемые на основе синтетических полимеров.

Иониты (ионообменные смолы) делятся на две группы. Одни из них  обменивают свои катионы на катионы  среды и называются катионитами, другие обменивают свои анионы и называются анионитами. Иониты не растворяются в растворах солей, кислот и щелочей.

Катиониты имеют вид  черных или темно-бурых зерен диаметром от 0,5 до 2 мм (КУ-1, КУ-2, СБС и др.), аниониты – зернистые вещества белого, розового или коричневого цвета (АВ-16, АВ-17, АН-2Ф и др.).

Для устранения жесткости  воды применяются катионы – синтетические  ионообменные смолы и алюмосиликаты, например Na₂[Al₂Si₂O₈*nH₂O]. Их состав условно можно выразить общей формулой Na₂R, где Na  - весьма подвижный катион и R  - частицы катиониты, несущая отрицательный заряд. Так, в приведенном примере R  = [Al₂Si₂O₈*nH₂O] .

Если пропустить воду через слои катионита, то ионы натрия будут обмениваться на ионы кальция и магния. Схематически эти процессы можно выразить уравнениями:

         Ca²⁺ + Na₂R = 2Na⁺ + CaR;               

          Mg²⁺ + Na₂R = 2Na⁺ + MgR;

 

Таким образом, ионы кальция  и магния переходят из раствора в  катионит, а ионы натрия – из катионита  в раствор; жесткость при этом устраняется.

После использования  большой части ионов натрия катиониты обычно регенерируют – выдерживают в растворе хлорида натрия, при участии которого происходит обратный процесс: ионы натрия замещают в катионите ионы кальция и магния, которые переходят в раствор:

          CaR + 2Na⁺ = Na₂R + Ca²⁺;

          MgR + 2Na⁺ = Na₂R + Mg²⁺;

 

Регенерированный катион снова может быть использован  для умягчения новых порций жесткой  воды.

 

I. 9 Применение соединений кальция

1. Гидрид кальция

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

2. 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.

3. 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.

4. 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).

5. 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.).

6. Огнеупорные материалы

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