Как открыли химический элемент кальций

Кальций как химический элемент таблицы Менделеева

Как был открыт Кальций

История открытия кальция, как химического элемента, начинается очень давно. Его соединения были известны по крайней мере 9000 лет назад. Это утверждение базируется на том, что известь как строительный материал впервые использовался в седьмом тысячелетии до нашей эры. Примерно в это же время, гипс начали так же использовать в строительстве. В пример можно привести «Великую пирамиду в Гизе» и могилу «Тутанхамона». Там гипс использовался в качестве штукатурки. Древние Римляне использовали строительные растворы, изготовленные путем нагревания известняка. До XVII века такая наука как химия начинала только развиваться. В 1787 году Антуан Лавуазье предположил, что известь может быть оксидом нового химического элемента. Он занес оксид кальция в свою таблицу химических элементов под названием «chaux». Известь являлась одной из пяти так называемых «засоленых земель» в этой таблице.

Попытки отделить кальций из извести, таких ученых как А. Лавуазье, Я. Берцелиус и М. Понтина, не увенчались успехом. Только в 1808 году английскому химику Хэмфри Дэви удалось отделить кальций из смеси методом электролиза. В качестве анода использовалась платиновая пластина, а в качестве катода использовалась платиновая проволока погруженная в ртуть. На анод помещалась кальциевая смесь и пропускалось электричество. В результате химической реакции получилась кальций-ртутная амальгама. Чистый элемент Дэви получил термическим отделением ртути. Для коммерческих целей кальций, полученный таким способом, не подойдет. Промышленный метод был разработан только спустя век.

Где и как добывают Кальций

Мировая ежегодная добыча кальция составляет около 25000 тонн. Лидерами в этом направлении являются такие страны как Китай, Россия и США. Более мелкими производителями кальция являются Канада и Франция. Чистый кальций в природе не встречается из-за его высокой реакционной способности. Он встречается в виде таких минералов как мрамор, мел, исландский шпат, доломит, известняк, гипс, ангидрит, флюорит и апатит.

Чистый металл в промышленных масштабах получают путем восстановления оксида кальция(негашеной извести) алюминиевым порошком при высокой температуре. Температура варьируется в пределах 1200°C.

4CaO + 2Al — 1200°C —> CaAl₂O₄ + 3Ca↑

Хотя алюминий имеет меньшую реакционную способность и энтальпию чем кальций, баланс реакции находится в левой части этого уравнения. Очистка до чистого химического элемента осуществляется путем перегонки кальция.

Распространенность Кальция

Кальций является довольно распространенным элементом. Он занимает почетное пятое место по распространенности в земной коре. Так же он является одним из самых распространенных металлов. Он замыкает тройку лидеров после алюминия и железа в земной коре. Как уже говорилось выше, кальций является очень реакционным металлом, поэтому он встречается в природе исключительно в виде соединений. Самыми распространенными кальцийсодержащими веществами являются карбонат кальция и окаменелые остатки древней морской среды. Что касается мирового океана, то тут можно так же отметить повышенную распространенность этого химического элемента. Порциальное содержание кальция в морской воде составляет порядка 400 милиграмм на литр.

Если рассматривать распространенность кальция во Вселенной, то можно отметить так же обильность распространения этого химического элемента. Точных данных по порциальности его распространенности нет, но можно утверждать что оно достаточное. Исходя из того что было вышесказано о нашей планете, и того что большая часть поверхности Луны состоит из кальция и он горит желто-оранжевым цветом можно предполагать, что его распространение во Вселенной сравнимо с кремнием. Плюс не стоит забывать, что кальций играет огромную роль во всех живых организмах. Например, по содержанию в организме человека, он занимает пятое место. Основная масса кальция рассредотачивается в зубах и костях, а так же его ионы присутствуют и в нашей крови.

Применение Кальция

Применение такого химического элемента как кальций относительное. С одной стороны применение чистого кальция довольно ограничено, а с другой стороны кальциевые соединения применяются почти во всех сферах жизнедеятельности. Наибольшее использование чистого кальция приходится на литейную промышленность благодаря его сильному химическому родству к кислороду и сере. В конкретных случаях, он применяется в качестве добавки при производстве стали, а так же в качестве восстановителя при производстве таких металлов ка торий, цирконий, ванадия, хрома и урана. Он также может использоваться для хранения газообразного водорода, так как он реагирует с водородом с образованием твердого гидрида кальция. Из этого соединения водород извлекается без особого труда и затрат.

Конечно с самого начала следует отметить роль кальциевых соединений в сторительной промышленности. Такие вещества как известь, гипс и мрамор используются повсеместно. Ионы кальция могут применяться в автомобильных необслуживаемых аккумуляторах. В этих аккумуляторах он уменьшает снижение потерь воды и саморазряда. Химическая промышленность добавляет ионы кальция в некоторые очистители сточных вод, моющие и дезинфицирующие средства, зубные пасты и многое другое. Роль кальция в пищевой промышленности почти полностью посвящается пищевым добавкам из-за благоприятного воздействия на организм человека.

Это утверждение можно связать и с медициной, так как кальций укрепляет(восстанавливает) кости и играет роль в синтезе белков. Поэтому разработано очень много медицинских препаратов предназначенных для восстановления баланса кальция в организме человека. У соединений кальция очень широкий круг применения начиная от школьного мела и заканчивая наполнителями пластмасс, металлическим мылом и синтетических смол.

Интересные факты

Интересных фактов связанных с кальцием очень много. Стоит начать с того, что европейский орган по безопасности пищевых продуктов установили нормы суточного потребления кальция. Она составляет не более 2,5 граммов в день. Продукты содержащие кальций включают в себя молочные продукты, сардины, лосось, капуста, соевые продукты и др. Избыточный кальций в пище является главной причиной образования камней в почках. В тоже время недостаток кальция в пище может приводить к таким болезням как остеопароз или остеохандроз. Чистый металлический кальций при вступании в контакт с влагой экзотермически способен наносить значительные поражения организму человека(разъедающее раздражение). Из-за этого при проглатывании металлического кальция может наступить даже летальный исход. Из-за недостаточного поступления в организм кальция, витамина D или фосфатов может привести организм человека к остеомаляции. Остеомаляция — это заболевание при котором кости становятся мягкими и чрезвычайно ломкими.

Источник

Кальций

Кальций — химический элемент с атомным номером 20 в периодической системе, обозначается символом Ca (лат. Calcium ), мягкий щелочноземельный металл серебристо-серого цвета.

Умеренно твёрдый,
серебристо-белый металл

Содержание

История и происхождение названия

Нахождение в природе

Соединения кальция находятся практически во всех животных и растительных тканях. В организме человека и животного 1,4-2 % Са3(РО4)2 и 13 % СаСО3.

Получение

Свойства

Химические свойства

Применение

Применение металлического кальция

Металлотермия

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

Ядерный синтез

Изотоп 48 Ca наиболее эффективный и употребительный материал для производства сверхтяжелых элементов, и открытия новых элементов таблицы Менделеева. Например в случае использования ионов 48 Ca для получения сверхтяжелых элементов на ускорителях, ядра этих элементов образуются в сотни и тысячи раз эффективней чем при использовании других «снарядов»(ионов).

Применение соединений кальция

Легирование сплавов

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

Гидрид кальция

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

Оптика

Фторид кальция (флюорит) применяется в виде монокристаллов в оптике (астрономические объективы, линзы, призмы), и как лазерный материал.

Лазерные материалы

Вольфрамат кальция ( шеелит ) в виде монокристаллов применяется в лазерной технике.

Карбид кальция

Химические источники тока

Кальций, а так же 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 объему. Недостаток в недолгом сроке действия. Такие батареи используются там где необходимо на короткий срок создать колоссальную электрическую мощность (баллистические ракеты, некоторые космические аппараты и.т.д).

Огнеупорные материалы

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

Лекарственные средства

Соединения кальция широко применяются в качестве антигистаминного средства.

Биологическая роль

В организме животных ионы кальция играют существенную роль (кальциевые каналы).

Кальций — важнейший элемент для формирования скелета (см. витамин Д ).

С возрастом в организме усиливаются процессы, связанные с потерей ионов кальция, что приводит к остеопорозу (в отсутствие коррекции).

Изотопы

Из шести природных изотопов кальция пять стабильны. Шестой изотоп 48 Ca, 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 5,3×10 19 лет.

См. также

Ссылки

Литература

af:Kalsium ar:كالسيوم ast:Calciu bg:Калций bn:ক্যালসিয়াম bs:Kalcijum ca:Calci co:Calciu cs:Vápník da:Calcium de:Calcium el:Ασβέστιο en:Calcium eo:Kalcio es:Calcio et:Kaltsium fi:Kalsium fr:Calcium gl:Calcio (elemento) he:סידן hr:Kalcij hu:Kalcium hy:Կալցիում id:Kalsium io:Kalcio is:Kalsín it:Calcio (metallo) ja:カルシウム jbo:bogjinme ko:칼슘 ku:Kalsiyûm la:Calcium lb:Kalzium lt:Kalcis lv:Kalcijs mi:Konupūmā mk:Калциум ml:കാത്സ്യം ms:Kalsium nl:Calcium nn:Kalsium no:Kalsium oc:Calci pl:Wapń pt:Cálcio ro:Calciu sh:Kalcij simple:Calcium sk:Vápnik sl:Kalcij sq:Kalciumi sr:Калцијум su:Kalsium sv:Kalcium ta:கல்சியம் th:แคลเซียม tr:Kalsiyum uk:Кальцій uz:Kalsiy vi:Canxi zh:钙 zh-yue:鈣

Источник

Кальций

Название, символ, номерКальций/Calcium (Ca), 20Атомная масса
(молярная масса)40,078(4) а. е. м. (г/моль)Электронная конфигурация[Ar] 4s 2Радиус атома197 пмКовалентный радиус174 пмРадиус иона(+2e) 99 пмЭлектроотрицательность1,00 (шкала Полинга)Электродный потенциал−2,76 ВСтепени окисления2Энергия ионизации
(первый электрон)589,4 (6,11) кДж/моль (эВ)Плотность (при н. у.)1,55 г/см³Температура плавления1112 К; 838,85 °CТемпература кипения1757 К; 1483,85 °CУд. теплота плавления9,20 кДж/мольУд. теплота испарения153,6 кДж/мольМолярная теплоёмкость25,9 Дж/(K·моль)Молярный объём29,9 см³/мольСтруктура решёткикубическая гранецентрированнаяПараметры решётки5,580 ÅТемпература Дебая230 KТеплопроводность(300 K) (201) Вт/(м·К)Номер CAS7440-70-2

Кальций (Ca от лат. Calcium ) — элемент второй группы (по старой классификации — главной подгруппы второй группы), четвёртого периода, с атомным номером 20. Простое вещество кальций — мягкий, химически активный щёлочноземельный металл серебристо-белого цвета. Впервые получен в чистом виде Г. Дэви в 1808 году.

Содержание

История и происхождение названия

Название элемента происходит от лат. calx (в родительном падеже calcis) — «известь», «мягкий камень». Оно было предложено английским химиком Гемфри 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.

Изотопы

В горных породах и минералах

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

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

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.

Осадочная порода, состоящая в основном из скрытокристаллического кальцита — известняк (одна из его разновидностей — мел). Под действием регионального метаморфизма известняк преобразуется в мрамор.

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:

(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. ниже). Значительное количество кальция входит в состав живых организмов. Так, гидроксиапатит Ca₅(PO₄)₃OH, или, в другой записи, 3Ca₃(PO₄)₂·Ca(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 % Ca (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 4CaO + 2Al → CaAl₂O₄ + 3Ca

Физические свойства

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).

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.

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

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

Кроме получающихся в этих реакциях фосфида кальция Ca₃P₂ и силицида кальция Ca₂Si, известны также фосфиды кальция составов CaP и CaP₅ и 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:

Ион Ca 2+ бесцветен. При внесении в пламя растворимых солей кальция пламя окрашивается в кирпично-красный цвет.

Такие соли кальция, как хлорид CaCl₂, бромид CaBr₂, йодид CaI₂ и нитрат Ca(NO₃)₂, хорошо растворимы в воде. Нерастворимы в воде фторид CaF₂, карбонат CaCO₃, сульфат CaSO₄, ортофосфат Ca₃(PO₄)₂, оксалат CaC₂O₄ и некоторые другие.

Важное значение имеет то обстоятельство, что, в отличие от карбоната кальция CaCO₃, кислый карбонат кальция (гидрокарбонат) Ca(HCO₃)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 в тех местах, где вода, насыщенная гидрокарбонатом кальция, выходит на поверхность земли и нагревается солнечными лучами, протекает обратная реакция

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

Наличие в воде растворенного гидрокарбоната кальция во многом определяет вре́менную жёсткость воды. Вре́менной её называют потому, что при кипячении воды гидрокарбонат разлагается, и в осадок выпадает CaCO₃. Это явление приводит, например, к тому, что в чайнике со временем образуется накипь.

Применение

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 трудно восстанавливаемых металлов, таких, как хром, торий и уран. Сплавы кальция со свинцом применяются в некоторых видах аккумуляторных батарей и при производстве подшипников. Кальциевые гранулы используются также для удаления следов воздуха из электровакуумных приборов. Чистый металлический кальций широко применяется в металлотермии при получении редкоземельных элементов.

Кальций широко применяется в металлургии для раскисления стали наряду с алюминием или в сочетании с ним. Внепечная обработка кальцийсодержащими проволоками занимает ведущее положение в связи с многофакторностью влияния кальция на физико-химическое состояние расплава, макро- и микроструктуры металла, качество и свойства металлопродукции и является неотъемлемой частью технологии производства стали. В современной металлургии для ввода в расплав кальция используется инжекционная проволока, представляющая из себя кальций (иногда силикокальций или алюмокальций) в виде порошка или прессованного металла в стальной оболочке. Наряду с раскислением (удалением растворенного в стали кислорода) использование кальция позволяет получить благоприятные по природе, составу и форме неметаллические включения, не разрушающиеся в ходе дальнейших технологических операций.

Изотоп 48 Ca — 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.

Биологическая роль

Усвоению кальция препятствуют некоторые животные жиры (включая жир коровьего молока и говяжий жир, но не сало) и пальмовое масло. Содержащиеся в таких жирах пальмитиновая и стеариновая жирные кислоты отщепляются при переваривании в кишечнике и в свободном виде прочно связывают кальций, образуя пальмитат кальция и стеарат кальция (нерастворимые мыла). В виде этого мыла со стулом теряется как кальций, так и жир. Этот механизм ответственен за снижение всасывания кальция, снижение минерализации костей и снижение косвенных показателей их прочности у младенцев при использовании детских смесей на основе пальмового масла (пальмового олеина). У таких детей образование кальциевых мыл в кишечнике ассоциируется с уплотнением стула, уменьшением его частоты, а также более частым срыгиванием и коликами.

Концентрация кальция в крови из-за её важности для большого числа жизненно важных процессов точно регулируется, и при правильном питании и достаточном потреблении обезжиренных молочных продуктов и витамина D дефицита не возникает. Длительный дефицит кальция и/или витамина D в диете приводит к увеличению риска остеопороза, а в младенчестве вызывает рахит.

Избыточные дозы кальция и витамина D могут вызвать гиперкальцемию. Максимальная безопасная доза для взрослых в возрасте от 19 до 50 лет включительно составляет 2500 мг в сутки (около 340 г сыра Эдам).

Источник