Кальций, свойства атома, химические и физические свойства.
Ca 20 Кальций
40,078(4) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2
Кальций — элемент периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 20. Расположен во 2-й группе (по старой классификации — главной подгруппе второй группы), четвертом периоде периодической системы.
Атом и молекула кальция. Формула кальция. Строение кальция
Изотопы и модификации кальция
Свойства кальция (таблица): температура, плотность, давление и пр.
Физические свойства кальция
Химические свойства кальция. Взаимодействие кальция. Реакции с кальцием
Получение кальция
Применение кальция
Таблица химических элементов Д.И. Менделеева
Нахождение в природе
Из-за высокой химической активности кальций в свободном виде в природе не встречается.
На долю кальция приходится 3,38 % массы земной коры (5-е место по распространенности после кислорода, кремния, алюминия и железа).
Изотопы
Кальций встречается в природе в виде смеси шести изотопов: 40Ca, 42Ca, 43Ca, 44Ca, 46Ca и 48Ca, среди которых наиболее распространённый — 40Ca — составляет 96,97 %.
Из шести природных изотопов кальция пять стабильны. Шестой изотоп 48Ca, 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 5,3×1019 лет.
В горных породах и минералах
Большая часть кальция содержится в составе силикатов и алюмосиликатов различных горных пород (граниты, гнейсы и т. п.), особенно в полевом шпате — анортите Ca[Al2Si2O8].
В виде осадочных пород соединения кальция представлены мелом и известняками, состоящими в основном из минерала кальцита (CaCO3). Кристаллическая форма кальцита — мрамор — встречается в природе гораздо реже.
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.
Кальций, энергично мигрирующий в земной коре и накапливающийся в различных геохимических системах, образует 385 минералов (четвёртое место по числу минералов).
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:
СаСО3 + H2O + CO2 ↔ Са (НСО3)2 ↔ Ca2+ + 2HCO3-
(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. тж. ниже). Значительное количество кальция входит в состав живых организмов. Так, гидроксиапатит Ca5(PO4)3OH, или, в другой записи, 3Ca3(PO4)2·Са(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 % Са (по массовой доле); в теле человека массой 70 кг содержание кальция — около 1,7 кг (в основном в составе межклеточного вещества костной ткани).
Атом и молекула кальция. Формула кальция. Строение кальция:
Кальций (лат. Calcium, от лат. calx (в родительном падеже calcis) – «известь», «мягкий камень») – химический элемент периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с обозначением Ca и атомным номером 20. Расположен в 2-й группе (по старой классификации – главной подгруппе второй группы), четвертом периоде периодической системы.
Кальций – щёлочноземельный металл.
Как простое вещество кальций при нормальных условиях представляет собой умеренно твёрдый, серебристо-белый металл.
Молекула кальция одноатомна.
Химическая формула кальция Ca.
Электронная конфигурация атома кальция 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2. Потенциал ионизации (первый электрон) атома кальция равен 589,83 кДж/моль (6,1131554(3) эВ).
Строение атома кальция. Атом кальция состоит из положительно заряженного ядра (+19), вокруг которого по четырем оболочкам движутся 20 электронов. При этом 18 электронов находятся на внутреннем уровне, а 2 электрона – на внешнем. Поскольку кальций расположен в четвертом периоде, оболочек всего четыре. Первая – внутренняя оболочка представлена s-орбиталью. Вторая и третья – внутренние оболочки представлена s- и р-орбиталями. Четвертая – внешняя оболочка представлена s-орбиталью. На внешнем энергетическом уровне атома кальция – на 4s-орбитали находится два спаренных электрона. В свою очередь ядро атома кальция состоит из 20 протонов и 20 нейтронов. Кальций относится к элементам s-семейства.
Радиус атома кальция (вычисленный) составляет 194 пм.
Атомная масса атома кальция составляет 40,078(4) а. е. м.
Кальций – седьмой по распространённости элемент в земной коре. Содержание его в земной коре составляет 1,5 %, в океанах и морях – 0,042 %.
Кальций очень легко вступает в химические реакции.
Кальций, свойства атома, химические и физические свойства
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.
Свойства кальция (таблица): температура, плотность, давление и пр.:
Подробные сведения на сайте ChemicalStudy.ru
| 100 | Общие сведения | |
| 101 | Название | Кальций |
| 102 | Прежнее название | |
| 103 | Латинское название | Calcium |
| 104 | Английское название | Calcium |
| 105 | Символ | Ca |
| 106 | Атомный номер (номер в таблице) | 20 |
| 107 | Тип | Металл |
| 108 | Группа | Щёлочноземельный металл |
| 109 | Открыт | Хемфри Дэви, Великобритания, 1808 г. |
| 110 | Год открытия | 1808 г. |
| 111 | Внешний вид и пр. | Умеренно твёрдый, серебристо-белый металл |
| 112 | Происхождение | Природный материал |
| 113 | Модификации | |
| 114 | Аллотропные модификации* | 2 аллотропные модификации: – α-кальций с кубической гранецентрированной кристаллической решёткой, – β-кальций с кубической объёмно-центрированной кристаллической решёткой |
| 115 | Температура и иные условия перехода аллотропных модификаций друг в друга* | |
| 116 | Конденсат Бозе-Эйнштейна | 40Ca |
| 117 | Двумерные материалы | |
| 118 | Содержание в атмосфере и воздухе (по массе) | 0 % |
| 119 | Содержание в земной коре (по массе) | 5,0 % |
| 120 | Содержание в морях и океанах (по массе) | 0,00042 % |
| 121 | Содержание во Вселенной и космосе (по массе) | 0,007 % |
| 122 | Содержание в Солнце (по массе) | 0,007 % |
| 123 | Содержание в метеоритах (по массе) | 1,1 % |
| 124 | Содержание в организме человека (по массе) | 1,4 % |
| 200 | Свойства атома | |
| 201 | Атомная масса (молярная масса) | 40,078(4) а. е. м. (г/моль) |
| 202 | Электронная конфигурация | 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 |
| 203 | Электронная оболочка | K2 L8 M8 N2 O0 P0 Q0 R0 |
| 204 | Радиус атома (вычисленный) | 194 пм |
| 205 | Эмпирический радиус атома* | 180 пм |
| 206 | Ковалентный радиус* | 176 пм |
| 207 | Радиус иона (кристаллический) | Ca2+ 114 (6) пм, 126 (8) пм, 137 (10) пм, 148 (12) пм (в скобках указано координационное число – характеристика, которая определяет число ближайших частиц (ионов или атомов) в молекуле или кристалле) |
| 208 | Радиус Ван-дер-Ваальса | 231 пм |
| 209 | Электроны, Протоны, Нейтроны | 20 электронов, 20 протонов, 20 нейтронов |
| 210 | Семейство (блок) | элемент s-семейства |
| 211 | Период в периодической таблице | 4 |
| 212 | Группа в периодической таблице | 2-ая группа (по старой классификации – главная подгруппа 2-ой группы) |
| 213 | Эмиссионный спектр излучения | |
| 300 | Химические свойства | |
| 301 | Степени окисления | +1, +2 |
| 302 | Валентность | II |
| 303 | Электроотрицательность | 1,0 (шкала Полинга) |
| 304 | Энергия ионизации (первый электрон) | 589,83 кДж/моль (6,1131554(3) эВ) |
| 305 | Электродный потенциал | Ca2+ + 2e– → Ca, Eo = -2,866 В |
| 306 | Энергия сродства атома к электрону | 2,37 кДж/моль |
| 400 | Физические свойства | |
| 401 | Плотность* | 1,55 г/см3 (при 0 °C/20 °C и иных стандартных условиях, состояние вещества – твердое тело), 1,378 г/см3 (при 842 °C и иных стандартных условиях, состояние вещества – жидкость) |
| 402 | Температура плавления* | 842 °C (1115 K, 1548 °F) |
| 403 | Температура кипения* | 1484 °C (1757 K, 2703 °F) |
| 404 | Температура сублимации | |
| 405 | Температура разложения | |
| 406 | Температура самовоспламенения смеси газа с воздухом | |
| 407 | Удельная теплота плавления (энтальпия плавления ΔHпл)* | 8,54 кДж/моль |
| 408 | Удельная теплота испарения (энтальпия кипения ΔHкип)* | 154,7 кДж/моль |
| 409 | Удельная теплоемкость при постоянном давлении | 0,656 Дж/г·K (при 25 °C) |
| 410 | Молярная теплоёмкость* | 25,929 Дж/(K·моль) |
| 411 | Молярный объём | 29,9 см³/моль |
| 412 | Теплопроводность | 201 Вт/(м·К) (при иных стандартных условиях), 201 Вт/(м·К) (при 300 K) |
| 500 | Кристаллическая решётка | |
| 511 | Кристаллическая решётка #1 | α-кальций |
| 512 | Структура решётки | Кубическая гранецентрированная |
| 513 | Параметры решётки | 5,580 Å |
| 514 | Отношение c/a | |
| 515 | Температура Дебая | 230 К |
| 516 | Название пространственной группы симметрии | Fm_ 3m |
| 517 | Номер пространственной группы симметрии | 225 |
| 521 | Кристаллическая решётка #2* | β-кальций |
| 522 | Структура решётки | Кубическая объёмно-центрированная |
| 523 | Параметры решётки | 4,48 Å |
| 524 | Отношение c/a | |
| 525 | Температура Дебая | |
| 526 | Название пространственной группы симметрии | Im_ 3m |
| 527 | Номер пространственной группы симметрии | 229 |
| 900 | Дополнительные сведения | |
| 901 | Номер CAS | 7440-70-2 |
Примечание:
114* Согласно [1] кальций имеет 2 аллотропные модификации:
– α-кальций с кубической гранецентрированной решёткой,
– β-кальций с гексагональной плотноупакованной решёткой.
205* Эмпирический радиус атома кальция согласно [1] и [3] составляет 197 пм.
206* Ковалентный радиус кальция согласно [1] и [3] составляет 176±10 пм и 174 пм соответственно.
401* Плотность кальция согласно [4] составляет 1,54 г/см3 (при 20 °C и иных стандартных условиях, состояние вещества – твердое тело).
402* Температура плавления кальция согласно [3] составляет 838,85 °C (1112 K, 1541,93 °F).
403* Температура кипения кальция согласно [3] и [4] составляет 1483,85 °C (1757 K, 2702,93 °F) и 1495 °C (1768,15 K, 2723 °F) соответственно.
407* Удельная теплота плавления (энтальпия плавления ΔHпл) кальция согласно [3] составляет 9,2 кДж/моль.
408* Удельная теплота испарения (энтальпия кипения ΔHкип) калия согласно [3] составляет 153,6 кДж/моль.
409* Молярная теплоемкость кальция согласно [3] составляет 25,9 Дж/(K·моль).
521* Согласно [1] кальций имеет 2 аллотропные модификации:
– α-кальций с кубической гранецентрированной решёткой,
– β-кальций с гексагональной плотноупакованной решёткой.
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.
Читайте: Сера как химический элемент таблицы Менделеева
[править] Биологическая роль
Кальций — самый распространенный макроэлемент в организме человека, большая его часть находится в скелете и зубах в виде фосфатов. Ионы кальция участвуют в процессах свертывания крови, мышечных и нейронных реакциях, обеспечивающих осмотическое давление крови. Потребность в кальции зависит от возраста. Для взрослых необходимая суточная норма составляет от 800 до 1000 мг, для детей — от 600 до 900 мг, что очень важно из-за интенсивного роста скелета ребенка. Злоупотребление кофе и алкоголем может приводить к дефициту извести.
Кальций относится к щелочноземельным металлам и имеет высокую биохимическую активность. В организме человека содержится около 1,5 кг кальция. Он является основным структурным элементом костей и зубов, входит в состав ногтей, волос, мягких тканей, внеклеточной жидкости и плазмы крови. Кальций является важным компонентом системы свертывания крови, он поддерживает правильное соотношение солей в организме человека.
К числу наиболее важных функций в живом организме принадлежит его участие в работе различных ферментных систем, в том числе обеспечивающих сокращение мышц и передачи нервных импульсов, изменяющих активность гормонов и т. п. Кальций также влияет на проницаемость тканей для калия и натрия, способствует стабилизации мембран нервных клеток.
Источником кальция являются пищевые продукты. С пищей взрослый человек может получить около 10 г кальция, беременные женщины — до 15 г, кормящие — до 20 г. Кальций поступает с пищей в основном в виде нерастворимых в воде солей, которые растворяются в желудке человека с помощью желудочного сока, затем подвергаются воздействию желчных кислот, переводящих его в усваиваемую форму.
