Отримано в 1808 р Г. Деві електролізом вапна з ртутним катодом. Назва вироблено від латинського «калькс» - вапно.
Металевий кальцій одержують електролізом розплавленого хлориду при 830 ° С. Використовують також метод металлотермии - ше-станавливаются кальцій з оксиду (СаО) у вакуумі (10 # 8315; ³ мм рт. ст.) за допомогою порошку алюмінію (або магнію) при 1200 ° С В результаті реакції виходить кальцій і алюмінат кальцію ЗСАТ • Аl203:
6CaO + 2Аl = ЗСА + ЗСАТ • Аl2О3
Освіта алюмінату, що має (за розрахунками М. X. Карапетьянц) Δ G ° 298 = 4410 кДж / моль, збільшує зміна ізобарного потенціалу. Для реакції, рівняння якої наведено вище, ізобарний потенціал (т. Е. Δ G ° 298) виявляється рівним;
Δ G ° 298 = -4410 - (- 604 • 6) = - 786 кДж / моль
При настільки великій величині ізобарного потенціалу можна впевнено робити висновки про можливість протікання реакції і на підставі даних, що відносяться до стандартних умов. З хлориду або йодиду кальцій можна відновити металевим натрієм. Надлишок натрію після реакції видаляють абсолютним спиртом, в якому натрій (на відміну від кальцію) розчиняється.
Фізичні та хімічні властивості кальцію і його з'єднань
Кальцій - сріблясто-білий метал, помітно твердіше калію. За шкалою Мооса твердість калію 0,5, а кальцію - 1,5; кальцій можна обробляти напилком, а зберігають його в петролейном ефірі. Хімічна активність кальцію менше, ніж активність калію- його сусіда по періоду, але все ж кальцій розкладає воду і швидко окислюється на повітрі.
При підвищеній температурі кальцій реагує з галогенами (400 ° С), киснем, сіркою, азотом (300 ° .З). Реакція з воднем починається вже при 150 ° С. У всіх випадках кальцій проявляє себе як активний двовалентний метал; з галогенами виходять солі (наприклад, CaCl 2), з киснем - оксид СаО, з азотом - нітрид Са3N2 з воднем - гідрид СаН2. Всі ці реакції екзо- термічно, особливо великий тепловий ефект реакції з фтором (-1218 кДж / моль) і киснем (-630,2 кДж / моль).
Реакція образів Анік гідрид а набагато менше екзотермічну - парниковий ефект становить всього - 192,36 кДж / моль. З вугіллям при нагріванні кальцій дає карбід СаС2, який виходить також і при прожарюванні до високих температур суміші окису кальцію з вугіллям. Карбід кальцію є похідним ацетилену і виділяє ацетилен під дією води. Більшість з'єднань кальцію має іонний характер. Тому його солі з сильними кислотами майже не гідроліз; навпаки, солі зі слабкими кислотами мають в рас творе внаслідок гідролізу лужну реакцію. Іон кальцію і багато його сполуки безбарвні; солі кальцію забарвлюють полум'я в цегляно-червоний колір.
Фторид, Карбонат, середній фосфат, оксалат кальцію погано розчиняються у воді. Розчинність гідроксиду, який виявляє властивості сильної луги, невелика і знижується з підвищенням температури.
Оксид кальцію (основна складова частина негашеного вапна) являє собою білий порошок, зазвичай одержують шляхом випалу вапняку (карбонат кальцію), реагує з водою, утворюючи гідроокис з виділенням великої кількості теплоти (процес «гасіння» вапна). Оксид кальцію - міцне з'єднання, плавящееся при 2580 ° С і кипляче при 2850 ° С.
Відомі перекис кальцію СаО 2, яка може бути отримана дією перекису водню в слабощелочном розчині на хлорид кальцію, і надперекись СаО4- речовина жовтого кольору, що утворюється при обробці перекису гарячої концентрованої перекисом водню.
Перекис кальцію взаємодіє з водою, при цьому виходить перекис водню. Надперекись реагує з кислотами, виділяючи кисень.
З кремнієм при високій температурі (1000 ° С) кальцій дає силицид CaSi2; отримані й інші силіциди: CaSi і Са 2Si. При дії на них води виділяються гідриди кремнію - силани. Силіциди проявляють властивості сильних відновників і застосовуються в металургії для рафінування чорних металів і поліпшення властивостей чавуну.
З органічними речовинами кальцій утворює різноманітні комплексні сполуки; відомі також комплекси типу полііоді-дів; в розчині йодиду кальцію, що містить йод, існують різні полііодіди (Cal4, Gal 6, СаI8 і ін.). Деякі з них (Cal 4) можна виділити у вигляді кристалів при охолодженні розчину.
Поширеність в природі. Застосування кальцію і його з'єднань.
Кальцій належить до поширених елементів. Величезні поклади вапняків, силікатів, сульфатів та інших сполук цього елемента зосереджені в земній корі і утворюють разнообраз ні мінерали і гірські породи.
У воді морів і океанів кальцій зустрічається у вигляді іона Са # 8314; ² поряд з аніонами хлору, брому, карбонату, бікарбонату, сульфату та ін. З усіх солей, які можуть вийти при поєднанні катіона кальцію з аніонами, карбонат є одним з найменш розчинних. В результаті життєдіяльності морських організмів - коралових поліпов- бікарбонат кальцію розкладається і утворюється погано расторімий карбонат. Саме з нього і будують свої оболонки ці мешканці морів. Коралові рифи, що тягнуться іноді на протязі сотень і навіть тисяч кілометрів (Великий бар'єрний риф, що оздоблюють північно-східне узбережжя Австралії, має в довжину близько 2300 км) і піднімаються з дна на висоту, що вимірюється сотнями метрів, складаються в основному з карбонату кальцію.
Вуглекислота, що міститься у воді, поступово розчиняє їх, переводячи в бікарбонати, але нові і нові покоління коралів витягають бікарбонат з води і знову використовують його для будівництва своїх дивовижних, грандіозних і ажурних конструкцій. Цей процес - одна із сторін складного кругообігу кальцію в природі. Річки вносять щорічно близько 5 · 10 # 8312; т кальцію в моря і океани. Вода, що просочується в гірських породах через товщі вапняків, також насичується бікарбонатами. Їх розкладання, що відбувається, коли підземні води виходять на поверхню, призводить до відкладень великих мас карбонатів в печерах, каньйонах і тріщинах гірських порід.
Мікроорганізми (мали оболонки з карбонату кальцію) після відмирання залишають маси пухкого вапняку - крейди, що утворює в багатьох районах потужні пласти.
Вапняки, кристалізація яких протікала під тиском гірських порід при підвищеній температурі, являють собою різні види мармуру. Домішки надають їм різну і дуже красиве забарвлення: рожеву, чорну, зелену і ін.
Чистий кристалічний карбонат кальцію зустрічається в природі у вигляді безбарвних кристалів кальциту (кристали трігональ-ної системи). Забарвлення кальциту вказує на присутність в ньому домішок.
У вигляді так званого ісландського шпату чистий кальцит застосовують для виготовлення поляриметрів, так як кальцит має подвійне променезаломлення.
Інший різновид карбонату кальцію - арагонит кристалізується в ромбічної системі при температурі вище 29 ° С (нижче цієї температури виходить кальцій).
Гіпс - природний мінерал - являє собою кристаллогидрат GaS04 · 2H20. Частково зневоднений гіпс при змішуванні з водою твердне (схоплюється), добре заповнюючи навіть складні форми Тому гіпс і його різновид - алебастр застосовують для будівельних, мистецьких та оздоблювальних робіт. Сильно прожарений (безводний або перепалений) гіпс схоплюється дуже погано.
Кальцій входить до складу великого числа силікатів, в яких він міститься в формі катіона спільно з іншими металами: залізом, хромом, магнієм, алюмінієм і т. Д.
Фосфат кальцію - фосфорит Ca3 (PO4) 2 і апатит ЗСаз (РО4) 2 • Ca (F2) Cl є важливою сировиною у виробництві фосфорних добрив, а також фосфору.
Фторид кальцію CaF2 під назвою флюорит зустрічається в природі у вигляді безбарвних або забарвлених кристалів. Прозорі кристали його йдуть для виготовлення лінз в оптичних приладах.
Особливо велике промислове значення мають вапняки, так як вони представляють собою сировину для цементної, скляної, будівельної, металургійної та інших видів промисловості.
Біологічні функції кальцію
Біологічні функції кальцію різноманітні. Кальцій входить до складу опорних і захисних частин організмів - в речовини раковин, кісток (у вигляді фосфатів і фторидів - з'єднань типу апатитів), його сполуки утворюють основу твердої частини зубної тканини, шкаралупи яйця і т. Д. Разом з тим іони кальцію містяться в ряді білків (казеїн), істотно впливають на роботу ферментних систем, на процеси згортання крові, осмотичний рівновагу в клітинах і т. д.
Тому солі кальцію є необхідною складовою частиною харчового раціону людини і тварин. Засвоєння кальцію в організмі, що розвивається і формування кісткової тканини пов'язано з присутністю в клітинах організму вітамінів групи D.