Строение
Это не схема 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 связей.
Измеренные значения
Каждая полоса показывает, какое место кальций занимает среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные массы IUPAC 2021 года · Справочник химии и физики CRC · NIST. Значения, отмеченные ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Radius 197 pm — that is 0.197 nm, so about 2538 million of them side by side would span a millimetre.
Тепловой диапазон
Кальций is liquid over a 642 K window, from 1115 K to 1757 K.
История
Кальций — это элемент, из которого состоят кости, раковины и целые 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 на протяжении тысячелетий был любимым строительным материалом человечества. Ваши кости постоянно растворяются и восстанавливаются, а кальций стремительно перемещается по кровотоку туда, где он нужнее всего. Но кальций отвечает не только за структуру: каждое сокращение мышц, включая сердцебиение, зависит от поступления ионов кальция в мышечные клетки. Без кальция мышцы были бы парализованы, кровь не сворачивалась бы, а нервы не могли бы передавать сигналы. Сталактиты и сталагмиты в пещерах — произведения искусства кальция, формирующиеся капля за каплей на протяжении тысяч лет.
Доисторическое использование: Люди неосознанно использовали соединения кальция более 10 000 лет. Древние строители смешивали измельчённый известняк с водой, создавая первый раствор, не понимая, что работают с одним из самых распространённых элементов на Земле.
Римская инженерия: Римляне усовершенствовали гидравлический цемент, используя вулканический пепел (пуццолан), смешанный с известью (оксидом кальция), и создавали бетонные сооружения, такие как купол Пантеона, которые стоят и сегодня, спустя 2 000 лет. Они называли её «calx viva» (негашёная известь) из-за бурной реакции с водой.
В 1808 году, всего через несколько месяцев после своего впечатляющего открытия калия и натрия, Humphry Davy обратил внимание на загадочные «земли» — вещества, такие как известь, которые не поддавались всем предыдущим попыткам разложения.
Задача: Было известно, что оксид кальция (известь) отличается от обычной земли, но никто не мог разложить его на более простые компоненты. Предыдущие химики, такие как Lavoisier, подозревали, что он может содержать металл, но у них не было инструментов, чтобы это доказать.
Экспериментальная установка: Davy создал смесь извести (CaO) и оксида ртути (HgO), а затем подверг её воздействию интенсивного электрического тока от мощной 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 были чрезвычайно реакционноспособными: мгновенно тускнели на воздухе и бурно реагировали с водой.
Трудности выделения: В отличие от калия и натрия, металлический кальций было ещё труднее выделить и исследовать. Для этого требовалась инертная атмосфера, а на поверхности сразу образовывался белый слой оксида, что делало анализ почти невозможным.
Физические свойства: Davy обнаружил, что кальций твёрже натрия и калия и в чистом виде имеет характерный жёлтый цвет. Он менее плотный, чем вода, но всё же чрезвычайно реакционноспособен, поэтому для предотвращения возгорания его требовалось хранить под слоем масла.
Химическое поведение: Металл взрывообразно реагировал с водой, образуя водород и гидроксид кальция. При нагревании на воздухе он горел ярким красным пламенем — это свойство позднее использовали в фейерверках и сигнальных огнях.
Этимология: Davy назвал элемент «calcium», образовав это название от латинского «calx», означающего известь. Это вызвало споры, поскольку некоторые химики хотели назвать его «calcium», чтобы сохранить модель названий других металлов, таких как натрий и калий.
Выбор символа: Символ «Ca» был принят повсеместно, благодаря чему кальций стал одним из немногих элементов, чей символ точно совпадает с первыми двумя буквами его английского названия.
Первые применения: Открытие Davy 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 позволило строить железные дороги, мосты и небоскрёбы.
Сельскохозяйственная революция: Знания о роли кальция привели к научному применению извести в сельском хозяйстве для нейтрализации кислых почв, что значительно повысило урожайность и способствовало росту населения.
Медицинское понимание: Работа Davy вызвала интерес к биологической роли кальция. К 1850-м годам учёные осознали, что кальций необходим для формирования костей и работы мышц, что способствовало развитию 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 клеточной сигнализации, изменении климата (закислении океана) и передовых материалах.
Применение
Соединения кальция образуют основу современного строительства, обеспечивая прочность, долговечность и универсальность строительных материалов, которые формировали человеческую цивилизацию на протяжении тысячелетий.
Производство цемента: Производство портландцемента начинается с нагревания известняка (CaCO₃) до 1450°C во вращающихся печах, при этом 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 становится прочнее. Кальций образует структурный каркас, позволяющий небоскрёбам и мостам выдерживать огромные нагрузки.
Очистка стали: Оксид кальция (известь) необходим в производстве стали, где он действует как флюс и удаляет такие примеси, 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: Впрыск карбида кальция удаляет Сера 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 служит наполнителем и покрывающим веществом 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 содержится во всём — от труб из ПВХ до автомобильных деталей, улучшая механические свойства и 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 в производстве стеновых панелей.
Умягчение воды: Гидроксид кальция (гашёная известь) регулирует pH на водоочистных станциях и осаждает нежелательные металлы. Известково-содовый процесс удаляет из муниципальных 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, для электронных применений.
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 берётся
41500 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 97% of elements
Кальций занимает 5-е место по распространённости среди элементов земной коры (4,15 % по массе), поэтому встречается чаще железа и играет фундаментальную роль в геологическом строении нашей планеты. Такая распространённость отражает важнейшую роль кальция в круговороте горных пород и формировании континентов Земли.
Основные породообразующие минералы:
Океанский резервуар: морская вода содержит о проекте 400 частей на миллион кальция, что поддерживается сложным равновесием между поступлением с рек (1,5 млрд тонн ежегодно) и биологическими и химическими процессами его удаления.
Глубина карбонатной компенсации: ниже 4 000 метров в океане карбонат кальция растворяется быстрее, чем накапливается, образуя 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 по производству карбоната кальция, где организмы извлекают из морской воды ионы кальция и карбоната для построения своих скелетов. Большой Барьерный риф содержит, по оценкам, 2,9 млрд тонн карбоната кальция.
Формирование раковин и скелетов: морские организмы выработали сложные механизмы осаждения карбоната кальция. Моллюски контролируют образование кристаллов с помощью специализированных белков, создавая раковины, состоящие на 95 % 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, концентрируя 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 млн лет назад в меловом море.
Пещеры Карлсбад, Нью-Мексико: гигантские 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 в результате столкновения Индии с Азией 50 млн лет назад.
Сухие долины Мак-Мердо, Антарктида: содержат уникальные отложения сульфата кальция, образовавшиеся при испарении гиперсолёных озёр и помогающие понять аналогичные процессы, которые могли происходить на Марсе.
Звёздный нуклеосинтез: Кальций-40 образуется в результате горения кремния в массивных звёздах при температурах свыше 3 млрд кельвинов. Для этого процесса требуется быстрое последовательное слияние кремния-28 с тремя альфа-частицами.
Образование в сверхновых: кальций в основном 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 впоследствии сформировалась наша Солнечная система.
Метеоритные свидетельства: богатые кальцием и алюминием включения (CAI) в метеоритах относятся к числу древнейших твёрдое материалов нашей Солнечной системы (возраст 4,567 млрд 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. В горячих источниках Мамонт в Йеллоустоне ежедневно откладывается до 2 тонн травертина.
Срединно-океанические хребты: гидротермальные источники создают богатые кальцием флюиды, которые взаимодействуют с морской водой, образуя уникальные минеральные ассоциации и поддерживая специализированные экосистемы, зависящие от структур из карбоната кальция.
Обращение
Уровень риска: НИЗКИЙ до УМЕРЕННОГО — соединения кальция в целом безопасны и необходимы для здоровья человека, но некоторые формы требуют осторожного обращения.
При работе с металлическим кальцием:
При работе с оксидом кальция (известью):
Металлический кальций: храните под минеральным маслом или в инертном газе (Аргон) в герметичных контейнерах. 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 во влагонепроницаемых контейнерах. При намокании этот материал выделяет значительное количество тепла — он может вызвать возгорание органических материалов.
Соединения кальция: большинство из них стабильны и безопасны при обычном хранении. Храните в герметичных контейнерах, чтобы предотвратить поглощение влаги и слёживание.
Рекомендуемая суточная норма:
Верхний допустимый предел: 2,500 mg/day для взрослых (избыток кальция может препятствовать усвоению железа и цинка, а также вызывать образование камней в почках)
Нормы OSHA: для большинства соединений кальция не установлены конкретные допустимые уровни воздействия на рабочем месте (в целом признаны безопасными)
Контакт 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 дыхательную систему. По возможности используйте системы сбора пыли и влажные методы.
Пищевой и промышленный класс: для пищевых целей используйте только соединения кальция пищевого класса. Промышленные сорта могут содержать вредные примеси.
Лекарственные взаимодействия: добавки кальция могут препятствовать всасыванию некоторых лекарственных препаратов, включая антибиотики, препараты для щитовидной железы и бисфосфонаты. Принимайте лекарства с интервалом 2+ часа до или после добавок кальция.
Краткие ответы
Кальций (symbol Ca) is element 20 on the periodic table, a щёлочноземельный металл in period 4, group 2. Structural element of bone, shell and cement: calcium is how life learned to build hard things. At room temperature it is a solid.
[Ar] 4s², giving 4 occupied shells holding 2, 8, 8, 2 electrons respectively.Кальций melts at 1115 K (841.9 °C) and boils at 1757 K (1483.9 °C).
The standard atomic weight of Кальций is 40.078 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
Кальций has a density of 1.54 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of кальций is about 1.5× heavier.
Кальций has a Pauling electronegativity of 1. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). A value this low means it readily gives its outer electrons away, forming positive ions.
Кальций was discovered in 1808 by Humphry Davy. It is named after latin calx, "lime".
Кальций makes up about 4.15% of the Earth's crust — one of the most abundant elements there is.