Ca · Элемент 20 · Щёлочноземельный металл
Структурный элемент костей, раковин и цемента: именно так кальций научил живое строить твёрдые структуры.
Строение
Это не диаграмма из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование химических связей.
Измеренные значения
Каждый столбец показывает положение кальций среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные веса IUPAC 2021 года · Справочник CRC по химии и физике · NIST. Значения, отмеченные символом ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Радиус 197 pm — это 0,197 нм, поэтому около 2,54 миллионов таких атомов, расположенных бок о бок, протянулись бы на миллиметр.
Тепловой диапазон
Кальций находится в жидком состоянии в диапазоне 642 K — от 1115 K до 1757 K.
История
Кальций — это элемент, который формирует кости, раковины и цивилизации. Этот серебристый металл — пятый по распространённости элемент в земной коре и самый распространённый металл в организме человека: около 2 фунтов кальция укрепляют ваш скелет. От древних известняковых пирамид до современных бетонных джунглей карбонат кальция тысячелетиями был любимым строительным материалом человечества. Ваши кости постоянно растворяются и восстанавливаются, а кальций стремительно перемещается по кровотоку туда, где он нужнее всего. Но кальций нужен не только для строения — каждое сокращение мышц, включая сердцебиение, зависит от поступления ионов кальция в мышечные клетки. Без кальция ваши мышцы были бы парализованы, кровь не сворачивалась бы, а нервы не могли бы передавать сигналы. Сталактиты и сталагмиты в пещерах — произведения искусства кальция, формирующиеся по капле на протяжении тысяч лет.
Доисторическое использование: Люди, сами того не зная, используют соединения кальция уже более 10 000 лет. Древние строители смешивали измельчённый известняк с водой, создавая первый строительный раствор, не понимая, что работают с одним из самых распространённых элементов на Земле.
Римская инженерия: Римляне усовершенствовали гидравлический цемент, смешивая вулканический пепел (пуццолан) с известью (оксидом кальция), и создавали бетонные сооружения, такие как купол Пантеона, которые и сегодня стоят после 2 000 лет. Они называли её «calx viva» (негашёная известь) из-за бурной реакции с водой.
В 1808 году, всего через несколько месяцев после впечатляющего открытия калия и натрия, Гемфри Дэви обратил внимание на загадочные «земли» — вещества, такие как известь, которые не поддавались всем предыдущим попыткам разложения.
Проблема: Было известно, что оксид кальция (известь) отличается от обычной земли, но никому не удавалось разложить его на более простые компоненты. Предыдущие химики, такие как Лавуазье, подозревали, что он может содержать металл, но не располагали инструментами, чтобы это доказать.
Экспериментальная установка: Дэви создал смесь извести (CaO) и оксида ртути (HgO), а затем подверг её воздействию мощного электрического тока от своей сильной вольтовой батареи. Оксид ртути помог сделать смесь проводящей и одновременно защищал неизвестный металл от немедленного окисления.
Момент открытия: На катоде появились крошечные серебристые капли — не ртуть, а нечто совершенно новое. Однако эти металлические капли обладали чрезвычайной реакционной способностью: мгновенно тускнели на воздухе и бурно реагировали с водой.
Трудности выделения: Металлический кальций было ещё труднее выделить и изучать, чем калий и натрий. Он требовал инертной атмосферы и немедленно покрывался белой оксидной плёнкой, из-за чего анализ становился почти невозможным.
Физические свойства: Дэви обнаружил, что кальций твёрже натрия и калия и в чистом виде имеет характерный жёлтый цвет. Он был менее плотным, чем вода, но оставался чрезвычайно реакционноспособным, поэтому для предотвращения возгорания его требовалось хранить под слоем масла.
Химическое поведение: Металл взрывообразно реагировал с водой, образуя газообразный водород и гидроксид кальция. При нагревании на воздухе он горел ярким красным пламенем — свойство, которое позднее использовали в фейерверках и сигнальных факелах.
Этимология: Дэви назвал элемент «кальцием», взяв название от латинского «calx», означающего известь. Это было спорным решением, поскольку некоторые химики хотели назвать его «calcium», чтобы сохранить закономерность в названиях других металлов, таких как натрий и калий.
Выбор символа: Символ «Ca» был принят повсеместно, что сделало кальций одним из немногих элементов, чей символ полностью совпадает с первыми двумя буквами его английского названия.
Первые применения: Открытие Дэви произвело революцию в понимании извести и известняка. Оно объяснило, почему известь так полезна в строительстве: кальций образует прочные химические связи с другими материалами.
Преобразование сталелитейной промышленности: Понимание химии кальция привело к совершенствованию методов производства стали. Добавление извести для удаления примесей стало стандартной практикой, что сделало возможным строительство железных дорог, мостов и небоскрёбов.
Сельскохозяйственная революция: Знание о роли кальция привело к научному применению извести в сельском хозяйстве для нейтрализации кислых почв, что значительно повысило урожайность и способствовало росту населения.
Медицинское понимание: Работа Дэви пробудила интерес к биологической роли кальция. К 1850-м годам учёные осознали, что кальций необходим для формирования костей и работы мышц, что заложило основу современной науки о питании.
Научное наследие: Выделение металлического кальция открыло новые направления исследований в биохимии, материаловедении и геохимии, которые продолжаются и сегодня. Современные исследования кальция охватывают его роль в передаче клеточных сигналов, изменении климата (закислении океана) и передовых материалах.
Применение
Соединения кальция формируют основу современного строительства, обеспечивая прочность, долговечность и универсальность строительных материалов, которые тысячелетиями формировали человеческую цивилизацию.
Производство цемента: Производство портландцемента начинается с нагревания известняка (CaCO₃) до 1450°C во вращающихся печах, где удаляется CO₂ и образуется оксид кальция (негашёная известь). Затем его смешивают с глиной и другими материалами, образуя силикаты и алюминаты кальция — активные соединения, придающие бетону прочность.
Химия бетона: Когда цемент смешивается с водой, образуется гель гидросиликата кальция (C-S-H), создающий чрезвычайно прочные связи. Этот процесс продолжается десятилетиями, поэтому бетон со временем действительно становится прочнее. Кальций обеспечивает структурный каркас, позволяющий небоскрёбам и мостам выдерживать огромные нагрузки.
Очистка стали: Оксид кальция (известь) необходим в производстве стали, где он действует как флюс для удаления таких примесей, как фосфор и сера. В доменных печах известь соединяется с примесями кремнезёма, образуя силикатный шлак кальция, который всплывает над расплавленным железом и легко удаляется.
Процесс десульфурации: Введение карбида кальция удаляет серу из расплавленной стали, улучшая её обрабатываемость и предотвращая хрупкость. Этот процесс сделал возможным производство высококачественных сталей для автомобильной и аэрокосмической промышленности.
Производство бумаги: Карбонат кальция используется как наполнитель и покрывающий материал при производстве бумаги. Он повышает белизну, непрозрачность и гладкость, одновременно снижая стоимость. Осаждённый карбонат кальция (PCC) получают с заданным размером частиц для разных сортов бумаги.
Производство пластмасс и полимеров: Молотый карбонат кальция (GCC) действует как армирующий наполнитель в пластмассах, повышая ударопрочность и снижая стоимость материалов. Он используется во всём: от труб из ПВХ до автомобильных деталей, улучшая механические свойства и одновременно уменьшая массу.
Десульфурация дымовых газов: Электростанции используют сорбенты на основе кальция для удаления диоксида серы из выбросов. Известняковая суспензия реагирует с SO₂ с образованием сульфита кальция, который затем окисляется до гипса — ценного побочного продукта, используемого при производстве стеновых панелей.
Умягчение воды: Гидроксид кальция (гашёная известь) регулирует pH на водоочистных станциях и осаждает нежелательные металлы. Известково-содовый процесс удаляет из городских систем водоснабжения ионы кальция и магния, вызывающие жёсткость воды.
Производство металлического кальция: Сверхчистый металлический кальций получают электролизом расплавленного хлорида кальция. Этот металл служит восстановителем при производстве других реакционноспособных металлов, таких как уран, торий и редкоземельные элементы, используемые в электронике.
Оптические материалы: Кристаллы фторида кальция (флюорита) используют в высококачественных объективах фотоаппаратов и телескопической оптике благодаря их исключительной прозрачности и низкой дисперсии. Эти кристаллы выращивают в тщательно контролируемых условиях для достижения оптического совершенства.
Откуда он происходит
41500 мг/кг земной коры · более распространён, чем 97% элементов
Кальций занимает 5-е место среди наиболее распространённых элементов земной коры (4,15 % по массе), что делает его более распространённым, чем железо, и важнейшим компонентом геологического строения нашей планеты. Такая распространённость отражает ключевую роль кальция в круговороте горных пород и формировании континентов Земли.
Основные породообразующие минералы:
Океанский резервуар: морская вода содержит о проекте 400 частей кальция на миллион, что поддерживается сложным равновесием между поступлением из рек (1,5 миллиарда тонн ежегодно) и процессами биологического и химического удаления.
Глубина карбонатной компенсации: ниже 4 000 метров в океане карбонат кальция растворяется быстрее, чем накапливается, создавая естественную «снеговую линию» для карбонатных минералов. Эта глубина зависит от химического состава и температуры океана.
Формирование коралловых рифов: тропические коралловые рифы представляют собой гигантские фабрики карбоната кальция, где организмы извлекают из морской воды ионы кальция и карбоната для построения скелетов. Большой Барьерный риф содержит, по оценкам, 2,9 миллиарда тонн карбоната кальция.
Формирование раковин и скелетов: морские организмы выработали сложные механизмы осаждения карбоната кальция. Моллюски управляют формированием кристаллов с помощью специализированных белков, создавая раковины, на 95 % состоящие из карбоната кальция, но вдвое более прочные, чем синтетические материалы.
Процесс биоминерализации: такие организмы, как фораминиферы и кокколитофориды, извлекают растворённые ионы кальция и карбоната из морской воды и концентрируют их в специализированных клеточных компартментах, где под биологическим контролем происходит кристаллизация.
Белые скалы Дувра: эти знаменитые меловые утёсы почти полностью состоят из карбоната кальция, образованного микроскопическими морскими организмами (кокколитами), жившими 100 миллионов лет назад в меловом море.
Пещеры Карлсбад, Нью-Мексико: огромные известняковые пещеры, вырезанные слабокислыми грунтовыми водами, растворявшими карбонат кальция на протяжении миллионов лет. Этот процесс продолжается и сегодня: новые образования растут со скоростью 1 дюйм за 100 лет.
Гималайские горы: содержат обширные известняковые образования, которые когда-то были частью дна океана Тетис и поднялись во время столкновения Индии с Азией 50 миллионов лет назад.
Сухие долины Мак-Мердо, Антарктида: содержат уникальные месторождения сульфата кальция, образовавшиеся при испарении гиперсолёных озёр и дающие представление о сходных процессах, которые могли происходить на Марсе.
Звёздный нуклеосинтез: кальций-40 образуется в результате горения кремния в массивных звёздах при температурах свыше 3 миллиардов K. Для этого процесса требуется быстрое последовательное слияние кремния-28 с тремя альфа-частицами.
Образование при сверхновых: кальций главным образом создаётся во время сверхновых типа Ia, где взрывной ядерный синтез производит большие количества элементов промежуточной массы. Эти космические взрывы обогатили межзвёздную среду кальцием, из которого в конечном итоге сформировалась наша Солнечная система.
Метеоритные свидетельства: включения, богатые кальцием и алюминием (CAI), в метеоритах относятся к древнейшим твёрдым материалам нашей Солнечной системы (возраст 4,567 миллиарда лет) и сформировались в горячих внутренних областях солнечной туманности.
Горячие источники: во многих геотермальных районах карбонат кальция (травертин) осаждается по мере охлаждения горячей воды, богатой кальцием, и выделения CO₂. Горячие источники Маммот в Йеллоустоне откладывают до 2 тонн травертина ежедневно.
Срединно-океанические хребты: гидротермальные источники создают богатые кальцием флюиды, которые взаимодействуют с морской водой, формируя уникальные минеральные ассоциации и поддерживая специализированные экосистемы, зависящие от структур из карбоната кальция.
Обращение
Уровень риска: НИЗКИЙ или УМЕРЕННЫЙ — соединения кальция в целом безопасны и необходимы для здоровья человека, но отдельные формы требуют осторожного обращения.
При работе с металлическим кальцием:
При работе с оксидом кальция (известью):
Металлический кальций: храните под слоем минерального масла или в атмосфере инертного газа (аргона) в герметичных ёмкостях. Держите вдали от воды, кислот и окислителей. Для уборки просыпавшегося вещества используйте сухой песок, никогда не используйте воду.
Оксид кальция (негашёная известь): храните в сухих, проветриваемых помещениях в защищённых от влаги ёмкостях. При намокании этот материал выделяет значительное количество тепла и может вызвать возгорание органических материалов.
Соединения кальция: большинство из них стабильны и безопасны при обычном хранении. Держите их в герметичных ёмкостях, чтобы предотвратить поглощение влаги и слёживание.
Рекомендуемая суточная норма:
Верхний допустимый уровень: 2,500 mg/day для взрослых (избыток кальция может препятствовать усвоению железа и цинка и вызывать образование камней в почках)
Ограничения OSHA: для большинства соединений кальция не установлены специальные предельные уровни воздействия на рабочем месте (в целом считаются безопасными)
При контакте с оксидом кальция:
Пожар металлического кальция: используйте огнетушитель класса D (песок, хлорид натрия или специальный сухой порошок). Никогда не используйте воду — она усилит пожар.
Выделение тепла: реакция оксида кальция с водой выделяет достаточно тепла, чтобы вызвать тяжёлые ожоги, и может воспламенить горючие материалы. Всегда медленно добавляйте оксид кальция в воду, а не наоборот.
Контроль пыли: пыль оксида кальция и карбоната может раздражать органы дыхания. По возможности используйте системы сбора пыли и влажные методы.
Пищевой и промышленный класс: в пищевых целях используйте только соединения кальция пищевого класса. Промышленные сорта могут содержать вредные примеси.
Лекарственные взаимодействия: добавки кальция могут препятствовать усвоению некоторых лекарственных средств, включая антибиотики, препараты для лечения щитовидной железы и бисфосфонаты. Принимайте лекарства с интервалом не менее 2 часов до или после добавок кальция.
Краткие ответы
Кальций (символ Ca) — элемент 20 в периодической таблице, представитель семейства Щёлочноземельный металл в 4 периоде, 2 группе. Структурный элемент костей, раковин и цемента: именно так кальций научил живое строить твёрдые структуры. При комнатной температуре это твёрдое вещество.
[Ar] 4s²; она включает 4 занятые электронные оболочки с распределением 2, 8, 8, 2.Кальций плавится при 1115 K (841.9 °C) и кипит при 1757 K (1483.9 °C).
Стандартная атомная масса Кальций составляет 40.078 u. Это средневзвешенное значение для его природных изотопов, поэтому оно редко бывает целым числом.
Плотность Кальций составляет 1.54 г/см³. Плотность воды — 1,0 г/см³, поэтому блок из Кальций примерно в 1.5× тяжелее.
Электроотрицательность Кальций по шкале Полинга составляет 1. Шкала простирается от 0,70 (франций, наименее склонный притягивать электроны) до 3,98 (фтор, наиболее склонный). Такое низкое значение означает, что он легко отдаёт свои внешние электроны, образуя положительные ионы.
Кальций был открыт в 1808 году Humphry Davy. Назван в честь латинское calx, «известь».
На долю Кальций приходится около 4.15% земной коры — это один из самых распространённых элементов.