Химические и физические свойства кальция, его взаимодействие с водой

Биологическая роль кальция

Прежде всего, кальций является важнейшим структурным компонентом костей и зубов. Также кальций регулирует проницаемость клеточных мембран, а также инициирует ответы клеток на различные внешние стимулы. Присутствие кальция в клетки или во внеклеточной среде обуславливает дифференцировку клетки, а также сокращение мышц, секрецию и перистальтику. Кальций регулирует активность многих ферментов (включая ферменты систем свертывания крови). Кальций регулирует работу некоторых эндокринных желез, обладает десенсибилизирующим и противовоспалительным эффектом.

I. 3 Получение

В промышленности кальций получают двумя способами:

Нагреванием брикетированной смеси СаО и порошка Аl при 1170 — 1200 °С в вакууме 0,01 – 0,02 мм . рт. ст.; выделяющиеся по реакции:

6СаО + 2Аl = 3CaO · Al2O3 + 3Ca

Пары кальция конденсируются на холодной поверхности.

Электролизом расплава СаСl2 (75-80 %) и КСl с жидким медно-кальциевым катодом приготовляют сплав Сu – Ca (65% Ca ), из которого кальций отгоняют при температуре 950 – 1000 °С в вакууме 0,1 – 0,001 мм .рт.ст. или из (6 частей) CaCl2 и (1 часть) CaF2.

Разработан также способ получения кальция термической диссоциацией карбида кальция СаС2.

I. 4 Физические свойства

Простое вещество кальций — мягкий, химически активный щёлочноземельный металл серебристо-белого цвета.

Металл кальций существует в двух аллотропных модификациях. До 443 °C устойчив α-Ca с кубической гранецентрированной решеткой (параметр а = 0,558 нм), выше устойчив β-Ca с кубической объемно-центрированной решеткой типа α-Fe (параметр a = 0,448 нм). Стандартная энтальпия перехода α → β составляет 0,93 кДж/моль.

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).

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.

I. 5 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.

На внешнем энергетическом уровне находится 2 электрона. Во всех соединениях степень окисления кальция +2.

В ряду стандартных потенциалов кальций расположен слева от водорода.

— Стандартный электродный потенциал пары Ca2+/Ca0 −2,84 В, так что кальций активно реагирует с холодной водой (с горячей водой реакция протекает более энергично), но без воспламенения:

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

Ca + Cl2 CaCl2

— При нагревании на воздухе или в кислороде кальций воспламеняется и горит красным пламенем с оранжевым оттенком.

— С менее активными неметаллами (водородом, бором, углеродом, кремнием, азотом, фосфором и другими) кальций вступает во взаимодействие при нагревании, например:

Кроме фосфида кальция Ca3P2 известны также фосфиды кальция составов СаР и СаР5;

— Кроме силицида кальция Ca2Si известны также силициды кальция составов CaSi, Ca3Si4 и CaSi2.

Протекание указанных выше реакций, как правило, сопровождается выделением большого количества теплоты.

— Кальций восстанавливает менее активные металлы из их оксидов и галогенидов

2Ca + TiO2 2CaO + Ti

2Ca + TiCl2 2CaCl2 + Ti

— Большинство из соединений кальция с неметаллами легко разлагается водой, например:

Ион Ca2+ бесцветен. При внесении в пламя растворимых солей кальция пламя окрашивается в кирпично-красный цвет.

I. 6 Применение металлического кальция

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 трудновосстанавливаемых металлов, таких, как хром, торий и уран. Сплавы кальция со свинцом находят применение в аккумуляторных батареях и подшипниковых сплавах. Кальциевые гранулы используются также для удаления следов воздуха из электровакуумных приборов.

1. Металлотермия

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

1. Легирование сплавов

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

1. Ядерный синтез

Изотоп 48Ca — 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.

I. 7 Соединения кальция

1. Оксид кальция CaO (негашеная известь, жженая известь, кипелка) белое тугоплавкое вещество.

Получают при обжиге известняка или мела при высокой температуре (выше 900 oС):

Пищевые источники кальция

Во многих продуктах питания растительного происхождения кальций содержится в виде труднорастворимых соединений (фосфатов, карбонатов, оксалатов), что обуславливает его плохое усвоение из них. Наиболее важным источником кальция является молоко (120мг/100г) и молочные продукты (особенно следует выделить сыр – содержит около 1000мг/100г). За счет молочных продуктов удовлетворяется до 80% от физиологической потребности человека в кальции.

Среди растительных продуктов кальцием наиболее богаты ламинария, орехи и семена, как миндаль, лесной орех, кунжут, фисташки, фасоль, инжир, брюква, капуста брокколи, капуста, хрен, петрушка, лук, курага, яблоки и др.

Дополнительным существенным источником кальция являются специально обогащенные пищевые продукты (соки и мука).

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.

Читайте: Аргон как химический элемент таблицы Менделеева

Дефицит кальция

Основные факторы, приводящие к дефициту кальция в организме:

• гиповитаминоз по витамину D;
• нерациональное питание (дефицит кальция в поступающей пище);
• нарушения всасывания Ca;
• избыточное поступление веществ, препятствующих усвоению кальция или способствующих его быстрому выведению (фосфор, щавелевая кислота, свинец, цинк, магний, кобальт, железо);
• болезни щитовидной железы и паращитовидных желез;
• некомпенсированная повышенная потребность в кальции (рост у детей, беременность и лактация, постменопауза);
• повышенное выведение кальция при использовании мочегонных и слабительных средств.

Последствия дефицита кальция:

• сниженная плотность костей, переломы, деформация позвонков, остеоартроз, остеопороз;
• повышенная утомляемость, общая слабость как реакция организма на дефицит кальция;
• судороги, боли в мышцах;
• нарушения роста;
• болезнь Кашина-Бека, в списке основных причин, развития которой значится дефицит микроэлементов, поступающих в организм с продуктами и водой, в том числе и кальция;
• мочекаменная болезнь;
• нарушения свертываемости крови, кровоточивость.

Кальций в живой природе

Судьба кальция на нашей планете теснейшим образом связана с судьбой углерода. В своих «путешествиях» в литосфере и гидросфере кальций чаще всего связан с этим элементом. Между углеродом атмосферы (главным образом в виде СО2) и веществом живых организмов существует относительное равновесие: ассимилируемый растениями и через них животными углерод снова возвращается в атмосферу при процессах горения, гниения, дыхания и брожения. Часть этого углерода, однако, удаляется из жизненного цикла в виде различных органических или, как их называют в геологии, биогенных минералов — торфа, каменного угля, нефти, битумов.

Много удаляется углерода из жизненного цикла не на суше, а в водной среде. В водных бассейнах суши (реках, болотах, озерах) осаждаются вещества, из которых затем образуются каменные угли, нефть, битумы, ископаемые смолы (янтарь). Но еще больше углерода удаляется из атмосферы и жизненного цикла в форме карбонатов, главным образом в виде кальцита — углекислого кальция СаСО2. По мнению акад. В. И. Вернадского, «количество СО2, освободившегося из жизненного цикла в виде углекислого кальция и сохранившегося как такового, во много сот раз больше всего количества углекислого газа, находящегося в данный момент в атмосфере, океане, в живом веществе и углекислом газе, соответствующем углероду пластов каменного угля, технически доступных».

Для жителей суши покажется на первый взгляд странным утверждение, что главная масса живых организмов сосредоточена в океанах, а не на суше. Вот там-то, в организмах водной среды и осуществляется связь кальция с углеродом и кислородом, и вместе с тем происходит концентрация этих элементов. Повидимому, здесь и создаются благоприятные условия для образования соединений кальция.

Образование карбоната кальция и форме различного по внешнему виду и структуре кальцита (мела, известняков, мергеля, мрамора) — это один из самых важных этапов геоистории кальция, имеющего огромное значение в жизни земной коры. Геологи утверждают, что они почти не знают известняков, химически чистых, т. е. осажденных без участия живых организмов и независимо от их жизненных процессов.

Конечно, могут быть случаи образования в воде углекислого кальция и в результате чисто химических реакций, но это не будут большие скопления его, так как образовавшийся этим путем СаСО2 почти всегда и целиком поглощается живущими в воде организмами. Если принять во внимание те огромнейшие скопления на Земле карбонатов кальция, поднимающихся в виде мощных известняковых горных хребтов, меловых rop, необозримых пластов, слагающих равнинные пространства, то мы невольно должны поразиться грандиозностью процессов карбонизации.

Кальций по своей распространённости в природе занимает 5-е место (3,26%) вслед за кислородом, кремнием, алюминием и железом. Вместе с тем это один из распространённейших в организмах элементов. Вслед за кислородом и водородом, содержание которых в организме более 10% каждого в отдельности, идут углерод, азот, а за ними кальций: содержание его в организмах в разных случаях колеблется от 1 до 10% по весу.

Живые организмы как будто выискивают кальций, где только представится возможность к его поглощению. Они находят его даже в пыли, которая всегда содержит в степени мельчайшей раздроблённости соединения кальция. Чтобы захватить СаСО2, организмы — концентраторы кальция — нередко производят огромную работу. Вычислено, например, что одна только устрица, чтобы построить свою раковину, должна прогнать через свое тело столь огромное количество воды, что оно превышает вес самой устрицы в 3000 — 4000 раз. В море ежегодно отлагается 2300 млн. т различных химических веществ, из которых около 1400 млн. т, т. е. около 60%, приходится на долю СаСО2.

Раковины с известковым скелетом

Поразительнее всего созидающая деятельность микроскопических существ и в первую очередь различных водорослей планктона (термин происходит от греческого слова планетос — блуждающий; применяется для обозначения животных н растительных организмов, населяющих воду и свободно носящихся вместе с ней.), которые растут в огромном числе и размножаются с поразительной быстротой. Деятельность открытых недавно кальциевых бактерий, осаждающих кальций, представляется ещё более грандиозной. Из более «крупных» организмов, относящихся к типу простейших, прежде всего следует назвать корненожек-фораминифер, получивших своё название от латинских слов foramenдыра и ferre — нести: они чаще всего снабжены известковой скорлупой со множеством отверстий, через которые проходят студенистые лучеобразные отростки. Водятся они в море в невероятном количестве. По исчислению некоторых ученых, лишь в 1 г прибрежного песка насчитывается до 50000 этих животных.

В открытом океане, на глубине 3000 — 4000 м, дно океана часто на протяжении многих сотен километров выстилается слоем глобигеринового ила, образованного корненожками вида глобигерин с известковым скелетом.

Некоторые из простейших, например нуммулиты, являются «гигантами» среди простейших: Они достигают размеров 5-копеечной медной монеты и больше. Нуммулиты образуют громадные скопления своих скелетов — так называемый нуммулитовый известняк.

Скопления небольших, едва различимых простым глазом спирально свёрнутых известковых раковин уже вымерших корненожек фузулин образуют главную массу породы, называемой, фузулиновым известняком. Близ г. Подольска Московской обл. этот известняк разрабатывают в обширных каменоломнях для производства портландского цемента.

Существенное участие в образовании морских отложений карбонатов принимают известковые губки: местами они образовали почти сплошные горные породы.

Общеизвестна роль в построении горных пород кораллов, живущих на глубине 30 — 50 м. Эти крошечные организмы живут огромными колониями и образуют скалы, рифы и острова (атоллы). Морские ежи, морские звёзды, »морские лилии (кринодеи) также отлагают после своей смерти известковые остовы, образующие мощные пласты. Их деятельность особенно была велика в прежние геологические эпохи, когда они были более распространены, чем теперь. Исключительный интерес представляют отложения разнообразных моллюсков. Устрицы, например, размножаются с поразительной быстротой: одна устрица откладывает от 1 до 2 млн. яиц. У берегов устрицы нередко образуют громадные мели (банки), мешающие судоходству. Раковины устриц выбрасываются на берег, перетираются волнами и образуют раковистый известняк.

С деятельностью моллюсков связана ещё одна форма углекислого кальция — жемчуг. Жемчуг относится к драгоценным камням по причине своей редкости и красивой внешности. Он выделяется мантией некоторых моллюсков при введении в неё какого-либо инородного тела: За последнее время эта гипотеза находит полное подтверждение, так как при искусственных повреждениях эпителия раковин, в них образуется жемчуг, не уступающий по качеству естественному.

Мы должны признать, что что главная роль в образовании карбоната кальция принадлежит мельчайшим организмам. Невольно возникает вопрос, откуда же берутся в морях и океанах огромные количества кальция, которые идут на образование известковых скелетов и раковин? Ответ на этот вопрос может быть лишь один: кальций приносится в море вместе с речными водами. Кальций, входящий в различные карбонатные горные породы-известняки, мел, доломит, мергель — сравнительно легко вымывается водой, особенно в том случае, если она содержит углекислоту. Из соли — бикарбоната кальция — и происходит усвоение организмами кальция. Весьма вероятно, что углекислый кальций осаждается из кислой соли аммиаком, находящимся в выделениях животных. другие учёные утверждают, что биохимическая реакция образования карбоната кальция происходит только при участии сульфата кальция (гипса), находящегося вместе с карбонатами в морской воде.

О грандиозности этих процессов можно судить хотя бы по тому, что вся масса кальция, ежегодно поступающая с речными водами в моря и океаны в виде карбонатов и бикарбонатов, отлагается в них в течение того же срока в виде СаСО2 с помощью бесчисленных растительных и животных организмов.
К. Я. Марленов
Фрагмент статьи «Кальций в природе».

Далее: Природные минералы кальция

Главная | Открытая наука | Кальций в живой природе

Избыток кальция

Основные причины:

• избыточное поступление с пищевыми продуктами, лекарственными средствами и БАД к пище
• нарушения обмена кальция, включая связанные с нарушением регуляции (нарушение функции паращитовидной и щитовидной железы, заболевания и травмы нервной системы)
• гипервитаминоз по витамину D

Последствия:

• снижение возбудимости скелетных мышц и нервных волокон
• снижение тонуса гладких мышц
• повышенная свертываемость крови
• повышение кислотности желудочного сока (гиперацидный гастрит, язвы желудка)
• кальциноз, отложение кальция в органах и тканях
• брадикардия, стенокардия
• подагра
• увеличение выделения солей кальция с мочой, нефрокальциноз, почечно-каменная болезнь
• увеличение риска заболеваний щитовидной и паращитовидных желез, аутоиммунного тиреоидита

Сфера использования

Каково применение кальция? Основное направление — металлургия. Он выполняет роль восстановителя при производстве меди, хрома, нержавеющей стали, урана, никеля, тория.

Для получения редко встречающихся земных элементов металлическую разновидность применяют в металлотермии, причем довольно широко.

Для раскисления стали (удаления кислорода, находящегося в расплаве) используют в составе соединения с алюминием или в качестве отдельного химического элемента.

Кроме того, металлический элемент используется как легирующая добавка, увеличивающая прочность подшипников, ответственных деталей двигателей или летательных аппаратов.

Применяется в нефтеперерабатывающей промышленности для удаления серы, служит для обезвоживания различных органических жидкостей. С его помощью в промышленности производится очистка аргона от азотистых примесей.

Не менее широко используется в медицине, воздействует на многие функции организма, в связи с чем количество элемента постоянно должно пополняться. Кроме того, способствует выводу из организма радионуклидов. Препараты глюконат кальция, хлористый кальций, гипс и другие широко применяются для лечения или профилактики различных заболеваний.