الكتلة الذرية للكالسيوم. الكالسيوم كعنصر كيميائي ، دوره

الكالسيوم (الكالسيوم اللاتيني ، يُشار إليه بالرمز Ca) هو عنصر برقم ذري 20 وكتلة ذرية 40.078. إنه عنصر من المجموعة الفرعية الرئيسية للمجموعة الثانية ، الفترة الرابعة من النظام الدوري للعناصر الكيميائية لديمتري إيفانوفيتش مندليف. في ظل الظروف العادية ، تكون مادة الكالسيوم البسيطة عبارة عن معدن خفيف (1.54 جم / سم 3) مرن ، ناعم ، قلوي نشط كيميائيًا ذو لون أبيض فضي.

في الطبيعة ، يتم تقديم الكالسيوم كمزيج من ستة نظائر: 40Ca (96.97٪) ، 42Ca (0.64٪) ، 43Ca (0.145٪) ، 44Ca (2.06٪) ، 46Ca (0.0033٪) ، 48Ca (0.185٪). النظير الرئيسي للعنصر العشرين - الأكثر شيوعًا - هو 40Ca ، وتبلغ وفرة نظائره حوالي 97٪. من بين ستة نظائر طبيعية للكالسيوم ، هناك خمسة نظائر مستقرة ، والنظير السادس 48Ca ، وهو الأثقل من بين النظائر الستة ونادرًا جدًا (وفرة نظائره 0.185٪ فقط) ، وجد مؤخرًا أنه يخضع لانحلال بيتا مزدوجًا مع عمر نصف. 5.3 1019 سنة. النظائر التي تم الحصول عليها صناعياً ذات الأعداد الكتلية 39 و 41 و 45 و 47 و 49 مشعة. غالبًا ما يتم استخدامها كمؤشر نظيري في دراسة عمليات التمثيل الغذائي للمعادن في كائن حي. 45Ca ، التي يتم الحصول عليها عن طريق تشعيع الكالسيوم المعدني أو مركباته بالنيوترونات في مفاعل اليورانيوم ، يلعب دورًا مهمًا في دراسة العمليات الأيضية التي تحدث في التربة وفي دراسة عمليات امتصاص الكالسيوم بواسطة النباتات. بفضل نفس النظير ، كان من الممكن الكشف عن مصادر التلوث لمختلف درجات الصلب والحديد عالي النقاوة بمركبات الكالسيوم أثناء عملية الصهر.

مركبات الكالسيوم - الرخام والجبس والحجر الجيري والجير (أحد منتجات إطلاق الحجر الجيري) معروفة منذ العصور القديمة وكانت تستخدم على نطاق واسع في البناء والطب. استخدم المصريون القدماء مركبات الكالسيوم في بناء أهراماتهم ، واخترع سكان روما العظيمة الخرسانة - باستخدام مزيج من الحجر المكسر والجير والرمل. حتى نهاية القرن الثامن عشر ، كان الكيميائيون مقتنعين بأن الجير جسم بسيط. فقط في عام 1789 اقترح لافوازييه أن الجير والألومينا وبعض المركبات الأخرى هي مواد معقدة. في عام 1808 ، حصل H. Davie على معدن الكالسيوم عن طريق التحليل الكهربائي.

يرتبط استخدام الكالسيوم المعدني بنشاطه الكيميائي العالي. يتم استخدامه للاختزال من مركبات بعض المعادن ، على سبيل المثال ، الثوريوم واليورانيوم والكروم والزركونيوم والسيزيوم والروبيديوم ؛ لإزالة الأكسجين والكبريت من الفولاذ وبعض السبائك الأخرى ؛ لتجفيف السوائل العضوية. لامتصاص الغازات المتبقية في أجهزة التفريغ. بالإضافة إلى ذلك ، يعمل الكالسيوم المعدني كعنصر في صناعة السبائك في بعض السبائك. تستخدم مركبات الكالسيوم على نطاق واسع - فهي تستخدم في البناء والألعاب النارية وإنتاج الزجاج والطب والعديد من المجالات الأخرى.

الكالسيوم هو أحد أهم العناصر الحيوية ، فهو ضروري لمعظم الكائنات الحية للمسار الطبيعي لعمليات الحياة. يحتوي جسم الشخص البالغ على كيلوغرام ونصف من الكالسيوم. يوجد في جميع أنسجة وسوائل الكائنات الحية. العنصر العشرين ضروري لتكوين أنسجة العظام ، والحفاظ على معدل ضربات القلب ، وتخثر الدم ، والحفاظ على النفاذية الطبيعية لأغشية الخلايا الخارجية ، وتكوين عدد من الإنزيمات. قائمة الوظائف التي يؤديها الكالسيوم في الكائنات الحية النباتية والحيوانية طويلة جدًا. يكفي أن نقول إن الكائنات الحية النادرة فقط هي القادرة على التطور في بيئة خالية من الكالسيوم ، بينما تتكون الكائنات الحية الأخرى من هذا العنصر بنسبة 38٪ (يحتوي جسم الإنسان على حوالي 2٪ كالسيوم فقط).

الخصائص البيولوجية

الكالسيوم هو أحد العناصر الحيوية ، وتوجد مركباته في جميع الكائنات الحية تقريبًا (قليل من الكائنات الحية قادرة على التطور في بيئة خالية من الكالسيوم) ، مما يضمن المسار الطبيعي لعمليات الحياة. العنصر العشرين موجود في جميع أنسجة وسوائل الحيوانات والنباتات ، ومعظمه (في الفقاريات ، بما في ذلك البشر) موجود في الهيكل العظمي والأسنان على شكل فوسفات (على سبيل المثال ، هيدروكسيباتيت Ca5 (PO4) 3OH أو 3Ca3 ( PO4) 2 Ca (OH) 2). يرجع استخدام العنصر العشرين كمواد بناء للعظام والأسنان إلى حقيقة أن أيونات الكالسيوم لا تستخدم في الخلية. يتم التحكم في تركيز الكالسيوم عن طريق هرمونات خاصة ، حيث يحافظ عملهم المشترك على بنية العظام ويحافظ عليها. تتكون الهياكل العظمية لمعظم مجموعات اللافقاريات (الرخويات ، والشعاب المرجانية ، والإسفنج ، وغيرها) من أشكال مختلفة من كربونات الكالسيوم CaCO3 (الجير). تخزن العديد من اللافقاريات الكالسيوم قبل طرحها لبناء هيكل عظمي جديد أو للحفاظ على الحياة في ظروف معاكسة. تتلقى الحيوانات الكالسيوم من الطعام والماء ، وتنقسم النباتات - من التربة وفيما يتعلق بهذا العنصر إلى كالسيفيل وكالسيفوبس.

أيونات من هذا العنصر الدقيق المهم تشارك في عمليات تخثر الدم ، وكذلك في ضمان الضغط الاسموزي الثابت للدم. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الكالسيوم ضروري لتكوين عدد من الهياكل الخلوية ، والحفاظ على النفاذية الطبيعية لأغشية الخلايا الخارجية ، ولإخصاب بيض الأسماك والحيوانات الأخرى ، وتنشيط عدد من الإنزيمات (ربما يكون هذا الظرف بسبب إلى حقيقة أن الكالسيوم يحل محل أيونات المغنيسيوم). تنقل أيونات الكالسيوم الإثارة إلى الألياف العضلية ، مما يؤدي إلى انقباضها ، وزيادة قوة تقلصات القلب ، وزيادة وظيفة البلعمة للكريات البيض ، وتنشيط نظام بروتينات الدم الواقية ، وتنظيم خروج الخلايا ، بما في ذلك إفراز الهرمونات والناقلات العصبية. يؤثر الكالسيوم على نفاذية الأوعية الدموية - بدون هذا العنصر ، ستستقر الدهون والدهون والكوليسترول على جدران الأوعية الدموية. يعزز الكالسيوم إفراز أملاح المعادن الثقيلة والنويدات المشعة من الجسم ، ويؤدي وظائف مضادة للأكسدة. يؤثر الكالسيوم على الجهاز التناسلي ، وله تأثير مضاد للإجهاد وله تأثير مضاد للحساسية.

يبلغ محتوى الكالسيوم في جسم شخص بالغ (وزنه 70 كجم) 1.7 كجم (بشكل أساسي في تكوين المادة بين الخلايا في أنسجة العظام). تعتمد الحاجة إلى هذا العنصر على العمر: بالنسبة للبالغين ، فإن البدل اليومي المطلوب هو من 800 إلى 1،000 ملليجرام ، للأطفال من 600 إلى 900 ملليجرام. بالنسبة للأطفال ، من المهم بشكل خاص تناول الجرعة المطلوبة لنمو العظام وتطورها بشكل مكثف. المصدر الرئيسي لاستهلاك الكالسيوم في الجسم هو الحليب ومنتجات الألبان ، ويأتي باقي الكالسيوم من اللحوم والأسماك وبعض المنتجات النباتية (خاصة البقوليات). يحدث امتصاص كاتيونات الكالسيوم في الأمعاء الغليظة والدقيقة ، وتسهل البيئة الحمضية ، والفيتامينات C و D ، واللاكتوز (حمض اللاكتيك) ، وكذلك الأحماض الدهنية غير المشبعة. في المقابل ، يقلل الأسبرين وحمض الأكساليك ومشتقات الأستروجين بشكل كبير من امتصاص العنصر العشرين. لذلك ، بالاقتران مع حمض الأكساليك ، يعطي الكالسيوم مركبات غير قابلة للذوبان في الماء ، وهي مكونات حصوات الكلى. دور المغنيسيوم في استقلاب الكالسيوم عظيم - مع نقصه ، الكالسيوم "يُغسل" من العظام ويترسب في الكلى (حصوات الكلى) والعضلات. بشكل عام ، يمتلك الجسم نظامًا معقدًا لتخزين وإطلاق العنصر العشرين ، ولهذا السبب يتم تنظيم محتوى الكالسيوم في الدم بدقة ، ومع التغذية السليمة لا يوجد نقص أو زيادة. يمكن أن يسبب نظام الكالسيوم الغذائي على المدى الطويل تقلصات ، وآلام في المفاصل ، وإمساك ، وإرهاق ، ونعاس ، وتأخر في النمو. يؤدي نقص الكالسيوم لفترات طويلة في النظام الغذائي إلى الإصابة بهشاشة العظام. يعتبر النيكوتين والكافيين والكحول من بعض أسباب نقص الكالسيوم في الجسم ، حيث تساهم في إفرازه بشكل مكثف في البول. ومع ذلك ، فإن فائض العنصر العشرين (أو فيتامين د) يؤدي إلى عواقب سلبية - يحدث فرط كالسيوم الدم ، ونتيجة لذلك تكلس مكثف للعظام والأنسجة (يؤثر بشكل رئيسي على الجهاز البولي). فائض الكالسيوم لفترات طويلة يعطل عمل أنسجة العضلات والأعصاب ، ويزيد من تخثر الدم ويقلل من امتصاص خلايا العظام للزنك. ربما ظهور هشاشة العظام وإعتام عدسة العين ومشاكل ضغط الدم. مما سبق ، يمكننا أن نستنتج أن خلايا الكائنات الحية النباتية والحيوانية تحتاج إلى نسب محددة بدقة من أيونات الكالسيوم.

في الصيدلة والطب ، تُستخدم مركبات الكالسيوم لتصنيع الفيتامينات ، والأقراص ، والحبوب ، والحقن ، والمضادات الحيوية ، وكذلك لتصنيع الأمبولات والأواني الطبية.

اتضح أن السبب الشائع لعقم الرجال هو نقص الكالسيوم في الجسم! والحقيقة أن رأس الحيوان المنوي له تكوين سهمي يتكون بالكامل من الكالسيوم ، مع وجود كمية كافية من هذا العنصر ، فإن الحيوانات المنوية قادرة على التغلب على الغشاء وتخصيب البويضة ، إذا لم يكن ذلك كافياً ، يحدث العقم.

اكتشف علماء أمريكيون أن نقص أيونات الكالسيوم في الدم يؤدي إلى إضعاف الذاكرة وانخفاض الذكاء. لذلك ، على سبيل المثال ، من مجلة Science News المعروفة في الولايات المتحدة ، أصبح معروفًا عن التجارب التي أكدت أن القطط تطور رد فعل مشروط فقط إذا كانت خلايا دماغها تحتوي على الكالسيوم أكثر من الدم.

مركب سياناميد الكالسيوم ، ذو القيمة العالية في الزراعة ، لا يستخدم فقط كسماد نيتروجين ومصدر لليوريا - السماد والمواد الخام الأكثر قيمة لإنتاج الراتنجات الاصطناعية ، ولكن أيضًا كمادة يمكن استخدامها ميكنة حصاد حقول القطن. الحقيقة هي أنه بعد معالجته بهذا المركب ، يقوم القطن بإلقاء أوراقه على الفور ، مما يسمح للناس بترك قطف القطن للآلات.

عند الحديث عن الأطعمة الغنية بالكالسيوم ، يتم ذكر منتجات الألبان دائمًا ، لكن الحليب نفسه يحتوي من 120 مجم (بقرة) إلى 170 مجم (غنم) كالسيوم لكل 100 جرام ؛ الجبن القريش أكثر فقراً - 80 مجم فقط لكل 100 جرام. من منتجات الألبان ، يحتوي الجبن فقط من 730 مجم (جودة) إلى 970 مجم (إيمنتال) كالسيوم لكل 100 جرام من المنتج. ومع ذلك ، فإن الخشخاش هو صاحب الرقم القياسي لمحتوى العنصر العشرين - 100 جرام من بذور الخشخاش تحتوي على ما يقرب من 1500 مجم من الكالسيوم!

كلوريد الكالسيوم CaCl2 ، المستخدم ، على سبيل المثال ، في محطات التبريد ، هو منتج نفايات للعديد من العمليات التكنولوجية الكيميائية ، على وجه الخصوص ، إنتاج الصودا على نطاق واسع. ومع ذلك ، على الرغم من الاستخدام الواسع لكلوريد الكالسيوم في مختلف المجالات ، فإن استهلاكه أقل بكثير من إنتاجه. لهذا السبب ، على سبيل المثال ، بالقرب من نباتات الصودا ، تتكون البحيرات الكاملة من محلول كلوريد الكالسيوم. برك التخزين هذه ليست شائعة.

لفهم كمية مركبات الكالسيوم التي يتم استهلاكها ، يجدر ذكر بعض الأمثلة فقط. في إنتاج الفولاذ ، يستخدم الجير لإزالة الفوسفور والسيليكون والمنغنيز والكبريت ؛ في عملية تحويل الأكسجين ، يتم استهلاك 75 كجم من الجير لكل طن من الفولاذ! مثال آخر من منطقة مختلفة تمامًا هو صناعة المواد الغذائية. في إنتاج السكر لترسيب سكريات الكالسيوم ، يتفاعل شراب السكر الخام مع الجير. لذلك ، يتطلب سكر القصب عادة حوالي 3-5 كجم من الجير للطن ، وسكر البنجر - مائة مرة أكثر ، أي حوالي نصف طن من الجير لكل طن من السكر!

"عسر" الماء عبارة عن سلسلة من الخصائص التي تعطيها أملاح الكالسيوم والمغنيسيوم المذابة فيها للماء. الصلابة تنقسم إلى مؤقتة ودائمة. تحدث الصلابة المؤقتة أو الكربونية بسبب وجود بيكربونات قابلة للذوبان Ca (HCO3) 2 و Mg (HCO3) 2 في الماء. من السهل جدًا التخلص من عسر الكربونات - عندما يتم غليان الماء ، تتحول البيكربونات إلى كربونات الكالسيوم والمغنيسيوم غير القابلة للذوبان في الماء ، مما يترسب. تنشأ الصلابة الدائمة عن طريق الكبريتات والكلوريدات من نفس المعادن ، ولكن التخلص منها أصعب بكثير. لا يعد الماء العسر أمرًا فظيعًا لأنه يمنع تكوين رغوة الصابون وبالتالي يغسل الملابس بشكل أسوأ ، بل إنه أكثر فظاعة أنه يشكل طبقة من الحجم في الغلايات البخارية وتركيبات الغلايات ، مما يقلل من كفاءتها ويؤدي إلى حالات الطوارئ. ومن المثير للاهتمام أنهم عرفوا كيفية تحديد عسر الماء حتى في روما القديمة. تم استخدام النبيذ الأحمر ككاشف - تشكل عوامل التلوين الخاصة به راسبًا مع أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم.

تعتبر عملية تحضير الكالسيوم للتخزين ممتعة للغاية. يتم تخزين الكالسيوم المعدني لفترة طويلة على شكل كتل يتراوح وزنها من 0.5 إلى 60 كجم. تعبأ هذه "الخنازير" في أكياس ورقية ، ثم توضع في أوعية من الحديد المجلفن مع طبقات ملحومة ومطلية. توضع الحاويات المغلقة بإحكام في صناديق خشبية. لا يمكن تخزين القطع التي يقل وزنها عن نصف كيلوغرام لفترة طويلة - عندما تتأكسد ، فإنها تتحول بسرعة إلى أكسيد وهيدروكسيد وكربونات الكالسيوم.

تاريخ

تم الحصول على الكالسيوم المعدني مؤخرًا نسبيًا - في عام 1808 ، لكن البشرية كانت على دراية بمركبات هذا المعدن لفترة طويلة جدًا. منذ العصور القديمة ، استخدم الناس الحجر الجيري والطباشير والرخام والمرمر والجبس وغيرها من المركبات المحتوية على الكالسيوم في البناء والطب. كان الحجر الجيري كربونات الكالسيوم CaCO3 على الأرجح أول مادة بناء يستخدمها البشر. تم استخدامه في بناء الأهرامات المصرية وسور الصين العظيم. تم بناء العديد من المعابد والكنائس في روسيا ، وكذلك معظم مباني موسكو القديمة ، باستخدام الحجر الجيري - الحجر الأبيض. حتى في العصور القديمة ، تلقى الشخص ، الذي يحترق من الحجر الجيري ، الجير الحي (CaO) ، كما يتضح من أعمال بليني الأكبر (القرن الأول الميلادي) وديوسكوريدس ، وهو طبيب في الجيش الروماني ، قدمه لأكسيد الكالسيوم في عمله. "على الأدوية" اسم "الجير الحي" ، الذي نجا حتى عصرنا. وكل هذا على الرغم من حقيقة وصف أكسيد الكالسيوم النقي لأول مرة من قبل عالم الكيمياء الألماني الأول. ثم في عام 1746 فقط ، وفي عام 1755 ، كشف الكيميائي ج. بلاك ، الذي درس عملية إطلاق النار ، أن فقدان كتلة الحجر الجيري أثناء إطلاق النار يحدث بسبب إطلاق غاز ثاني أكسيد الكربون:

كربونات الكالسيوم CaCO3 ↔ CO2 + CaO

اعتمدت المونة المصرية التي استخدمت في أهرامات الجيزة على الجبس المجفف جزئيًا CaSO4 2H2O أو بعبارة أخرى المرمر 2CaSO4 ∙ H2O. وهو أيضًا أساس كل الجبس الموجود في مقبرة توت عنخ آمون. استخدم المصريون الجبس المحروق (المرمر) كمواد رابطة في بناء مرافق الري. من خلال حرق الجبس الطبيعي في درجات حرارة عالية ، حقق البناة المصريون الجفاف الجزئي ، ولم ينفصل الماء فقط ، ولكن أيضًا أنهيدريد الكبريت عن الجزيء. بعد ذلك ، عند تخفيفه بالماء ، تم الحصول على كتلة قوية جدًا ، والتي لم تكن خائفة من تقلبات الماء ودرجة الحرارة.

يمكن تسمية الرومان بحق مخترعي الخرسانة ، لأنهم استخدموا في مبانيهم أحد أنواع مواد البناء هذه - خليط من الحجر المكسر والرمل والجير. يوجد وصف لبليني الأكبر لبناء صهاريج من هذه الخرسانة: "لبناء الصهاريج ، يأخذون خمسة أجزاء من رمل الحصى النقي ، وجزءان من أفضل الجير المطفأ وشظايا سيليكس (الحمم البركانية الصلبة) التي لا تزن أي أكثر من رطل لكل منهما ، وبعد الخلط يضغطان الأسطح السفلية والجانبية بضربات من دك حديد ". في مناخ إيطاليا الرطب ، كانت الخرسانة هي أكثر المواد مرونة.

اتضح أن مركبات الكالسيوم كانت معروفة للبشرية لفترة طويلة ، والتي استخدموها على نطاق واسع. ومع ذلك ، حتى نهاية القرن الثامن عشر ، اعتبر الكيميائيون الجير جسمًا بسيطًا ، فقط عشية القرن الجديد بدأوا بدراسة طبيعة الجير ومركبات الكالسيوم الأخرى. لذلك اقترح ستال أن الجير عبارة عن جسم معقد ، يتكون من مبادئ ترابية ومائية ، وأنشأ بلاك الفرق بين الجير الكاوي والجير الكربوني ، الذي يحتوي على "هواء ثابت". عزا أنطوان لوران لافوازييه التراب الجيري (CaO) إلى عدد العناصر ، أي إلى المواد البسيطة ، على الرغم من أنه اقترح في عام 1789 أن الجير والمغنيسيا والباريت والألومينا والسيليكا مواد معقدة ، ولكن سيكون من الممكن إثبات ذلك فقط عن طريق تحلل "الأرض العنيدة" (أكسيد الكالسيوم). وأول من نجح كان همفري ديفي. بعد التحلل الناجح لأكاسيد البوتاسيوم والصوديوم عن طريق التحليل الكهربائي ، قرر الكيميائي الحصول على المعادن الأرضية القلوية بنفس الطريقة. ومع ذلك ، لم تنجح المحاولات الأولى - حاول الإنجليزي تحلل الجير عن طريق التحليل الكهربائي في الهواء وتحت طبقة من الزيت ، ثم قام بتكلس الجير بالبوتاسيوم المعدني في أنبوب وأجرى العديد من التجارب الأخرى ، ولكن دون جدوى. أخيرًا ، في جهاز به كاثود زئبقي ، حصل على الملغم بالتحليل الكهربائي للجير ، ومنه الكالسيوم المعدني. سرعان ما تم تحسين طريقة إنتاج المعادن هذه بواسطة I. Berzelius و M. Pontin.

حصل العنصر الجديد على اسمه من الكلمة اللاتينية "calx" (في الحالة المضافة calcis) - الجير ، الحجر الناعم. كالكس (كالكس) كان يُطلق عليه الطباشير ، الحجر الجيري ، بشكل عام حجر مكشوف ، ولكن في أغلب الأحيان كان يسمى الملاط على أساس الجير. تم استخدام هذا المفهوم أيضًا من قبل المؤلفين القدماء (فيتروفيوس ، بليني الأكبر ، ديوسكوريدس) ، حيث وصفوا حرق الحجر الجيري ، وتكسير الجير وتحضير الملاط. في وقت لاحق في دائرة الخيميائيين ، تعني كلمة "كالكس" منتج التحميص بشكل عام - في المعادن على وجه الخصوص. لذلك ، على سبيل المثال ، أُطلق على أكاسيد المعادن اسم الجير المعدني ، وكانت عملية الحرق نفسها تسمى التكليس (الكالسيناتيو). في أدب الوصفات الروسية القديمة ، توجد كلمة البراز (الطين ، الطين) ، لذلك في مجموعة Trinity-Sergius Lavra (القرن الخامس عشر) يُقال: "اجمع البراز ، منه يصنعون بوتقة للذهب". في وقت لاحق فقط أصبحت كلمة kal ، التي ترتبط بلا شك بكلمة "calx" ، مرادفة لكلمة روث. في الأدب الروسي في بداية القرن التاسع عشر ، كان يطلق على الكالسيوم أحيانًا قاعدة التراب الجيري ، الحجر الجيري (Shcheglov ، 1830) ، الجير (Job) ، الكالسيوم ، الكالسيوم (Hess).

التواجد في الطبيعة

الكالسيوم هو أحد العناصر الأكثر شيوعًا على كوكبنا - الخامس من حيث المحتوى الكمي في الطبيعة (من غير المعادن ، الأكسجين فقط أكثر - 49.5٪ والسيليكون - 25.3٪) والثالث بين المعادن (الألمنيوم فقط أكثر مشترك - 7.5٪ ، حديد - 5.08٪). كلارك (متوسط ​​المحتوى في قشرة الأرض) من الكالسيوم ، وفقًا لتقديرات مختلفة ، يتراوح من 2.96٪ بالكتلة إلى 3.38٪ ، يمكننا بالتأكيد أن نقول أن هذا الرقم يبلغ حوالي 3٪. في الغلاف الخارجي لذرة الكالسيوم ، يوجد إلكترونان تكافؤان ، يكون ارتباطهما بالنواة هشًا إلى حد ما. لهذا السبب ، فإن الكالسيوم شديد التفاعل ولا يوجد في شكل حر في الطبيعة. ومع ذلك ، فإنها تهاجر بنشاط وتتراكم في أنظمة جيوكيميائية مختلفة ، وتشكل حوالي 400 معدن: السيليكات ، والألومينوسيليكات ، والكربونات ، والفوسفات ، والكبريتات ، والبوروسيليكات ، والموليبدات ، والكلوريدات وغيرها ، وتحتل المرتبة الرابعة في هذا المؤشر. أثناء ذوبان الصهارة البازلتية ، يتراكم الكالسيوم في الذوبان ويشكل جزءًا من المعادن الرئيسية المكونة للصخور ، أثناء تجزئة الصخور التي يتناقص محتواها أثناء تمايز الصهارة من الصخور الأساسية إلى الصخور الفلزية. بالنسبة للجزء الأكبر ، يوجد الكالسيوم في الجزء السفلي من القشرة الأرضية ، ويتراكم في الصخور الأساسية (6.72٪) ؛ يوجد القليل من الكالسيوم في وشاح الأرض (0.7٪) ، وربما أقل من ذلك في لب الأرض (في النيازك الحديدية للعنصر العشرين ، على غرار اللب ، 0.02٪ فقط).

صحيح أن كلارك الكالسيوم في النيازك الحجرية هو 1.4٪ (تم العثور على كبريتيد الكالسيوم نادرًا) ، في الصخور المتوسطة - 4.65٪ ، تحتوي الصخور الفلزية على 1.58٪ كالسيوم بالوزن. الجزء الرئيسي من الكالسيوم موجود في السيليكات والألومينوسيليكات من الصخور المختلفة (الجرانيت ، النيسات ، إلخ) ، خاصة في الفلسبار - أنورثيت الكالسيوم ، وكذلك ديوبسيد CaMg ، ولاستونيت Ca3. في شكل صخور رسوبية ، يتم تمثيل مركبات الكالسيوم بالطباشير والحجر الجيري ، والتي تتكون أساسًا من معدن الكالسيت (CaCO3).

كربونات الكالسيوم CaCO3 هي واحدة من أكثر المركبات انتشارًا على وجه الأرض - تغطي المعادن القائمة على كربونات الكالسيوم حوالي 40 مليون كيلومتر مربع من سطح الأرض. في أجزاء كثيرة من سطح الأرض ، توجد رواسب رسوبية كبيرة من كربونات الكالسيوم ، والتي تكونت من بقايا الكائنات البحرية القديمة - الطباشير والرخام والحجر الجيري والصخور القشرية - كل هذا عبارة عن كربونات الكالسيوم مع شوائب طفيفة ، والكالسيت هو كربونات الكالسيوم النقي. . أهم هذه المعادن هو الحجر الجيري ، وبشكل أكثر دقة - الحجر الجيري - لأن كل رواسب تختلف في الكثافة والتركيب وكمية الشوائب. على سبيل المثال ، صخور القشرة عبارة عن حجر جيري من أصل عضوي ، وتشكل كربونات الكالسيوم ، التي تحتوي على شوائب أقل ، بلورات شفافة من الحجر الجيري أو الصاري الأيسلندي. الطباشير هو نوع آخر شائع من كربونات الكالسيوم ، لكن الرخام ، وهو شكل بلوري من الكالسيت ، أقل شيوعًا في الطبيعة. من المقبول عمومًا أن الرخام قد تشكل من الحجر الجيري في العصور الجيولوجية القديمة. أثناء حركة قشرة الأرض ، تم دفن الرواسب الفردية من الحجر الجيري تحت طبقات من الصخور الأخرى. تحت تأثير الضغط العالي ودرجة الحرارة ، حدثت عملية التبلور ، وتحول الحجر الجيري إلى صخرة بلورية أكثر كثافة - رخام. الهوابط والصواعد الغريبة هي معدن أراجونيت ، وهو نوع آخر من كربونات الكالسيوم. يتشكل الأراجونيت المعوي الشكل في البحار الدافئة - تتكون جزر الباهاما وفلوريدا كيز وحوض البحر الأحمر من طبقات ضخمة من كربونات الكالسيوم على شكل أراجونيت. تنتشر أيضًا معادن الكالسيوم مثل الفلوريت CaF2 ، الدولوميت MgCO3 CaCO3 ، الأنهيدريت CaSO4 ، الفوسفوريت Ca5 (PO4) 3 (OH ، CO3) (بشوائب مختلفة) والأباتيت Ca5 (PO4) 3 (F ، Cl ، OH) - أشكال من فوسفات الكالسيوم ، المرمر CaSO4 0.5H2O والجبس CaSO4 2H2O (أشكال كبريتات الكالسيوم) وغيرها. في المعادن المحتوية على الكالسيوم ، توجد عناصر شوائب تحل محلها بشكل متماثل (على سبيل المثال ، الصوديوم ، والسترونشيوم ، والأرض النادرة ، والعناصر المشعة وغيرها).

تم العثور على كمية كبيرة من العنصر العشرين في المياه الطبيعية بسبب وجود "توازن كربونات" عالمي بين كربونات الكالسيوم (CaCO3) ضعيفة الذوبان ، و Ca (HCO3) 2 ، و CO2 في الماء والهواء:

CaCO3 + H2O + CO2 = Ca (HCO3) 2 = Ca2 + + 2HCO3-

هذا التفاعل قابل للعكس وهو الأساس لإعادة توزيع العنصر العشرين - مع وجود نسبة عالية من ثاني أكسيد الكربون في المياه ، والكالسيوم في محلول ، ومع المحتوى المنخفض من ثاني أكسيد الكربون ، يترسب معدن الكالسيت كربونات الكالسيوم ، مكونًا رواسب قوية من الحجر الجيري والطباشير والرخام.

كمية كبيرة من الكالسيوم جزء من الكائنات الحية ، على سبيل المثال ، هيدروكسيباتيت Ca5 (PO4) 3OH ، أو ، في سجل آخر ، 3Ca3 (PO4) 2 Ca (OH) 2 - أساس النسيج العظمي للفقاريات ، بما في ذلك البشر. كربونات الكالسيوم CaCO3 هو المكون الرئيسي لأصداف وأصداف العديد من اللافقاريات وقشور البيض والشعاب المرجانية وحتى اللؤلؤ.

تطبيق

نادرا ما يستخدم الكالسيوم المعدني. في الأساس ، يستخدم هذا المعدن (مثل هيدريده) في الإنتاج الحراري للمعادن التي يصعب تقليلها - اليورانيوم والتيتانيوم والثوريوم والزركونيوم والسيزيوم والروبيديوم وعدد من المعادن الأرضية النادرة من مركباتها (أكاسيد أو هاليدات) . يستخدم الكالسيوم كعامل اختزال في إنتاج النيكل والنحاس والفولاذ المقاوم للصدأ. أيضًا ، يتم استخدام العنصر العشرين لإزالة أكسدة الفولاذ والبرونز والسبائك الأخرى ، ولإزالة الكبريت من المنتجات البترولية ، وتجفيف المذيبات العضوية ، ولتنقية الأرجون من شوائب النيتروجين وكممتص للغاز في أجهزة التفريغ الكهربائية. يستخدم الكالسيوم المعدني في إنتاج السبائك المضادة للاحتكاك لنظام Pb-Na-Ca (المستخدم في المحامل) ، وكذلك سبيكة Pb-Ca ، والتي تُستخدم في تصنيع أغلفة الكابلات الكهربائية. تُستخدم سبيكة سيليكالسيوم (Ca-Si-Ca) كمزيل للأكسدة ومزيل للغازات في إنتاج الفولاذ عالي الجودة. يستخدم الكالسيوم كعنصر في صناعة السبائك لسبائك الألومنيوم وكمادة مضافة معدلة لسبائك المغنيسيوم. على سبيل المثال ، تؤدي إضافة الكالسيوم إلى زيادة قوة محامل الألومنيوم. يستخدم الكالسيوم النقي أيضًا في صناعة سبائك الرصاص ، والتي تستخدم في تصنيع لوحات البطاريات ، وبطاريات الرصاص الحمضية التي لا تحتاج إلى صيانة مع تفريغ ذاتي منخفض. أيضًا ، يتم استخدام الكالسيوم المعدني لإنتاج حبيبات الكالسيوم عالية الجودة BKA. بمساعدة الكالسيوم ، يتم تنظيم محتوى الكربون في الحديد الزهر وإزالة البزموت من الرصاص ، ويتم تنقية الفولاذ من الأكسجين والكبريت والفوسفور. يستخدم الكالسيوم ، وكذلك سبائكه مع الألمنيوم والمغنيسيوم ، في البطاريات الكهربائية الحرارية الاحتياطية كأنود (على سبيل المثال ، عنصر كرومات الكالسيوم).

ومع ذلك ، يتم استخدام مركبات العنصر العشرين على نطاق واسع. وقبل كل شيء ، نحن نتحدث عن مركبات الكالسيوم الطبيعية. كربونات CaCO3 هي واحدة من أكثر مركبات الكالسيوم انتشارًا على وجه الأرض. كربونات الكالسيوم النقية عبارة عن معدن كالسيت ، والحجر الجيري والطباشير والرخام وصخور القشرة كربونات الكالسيوم مع شوائب طفيفة. تسمى كربونات الكالسيوم والمغنيسيوم المختلطة الدولوميت. يستخدم الحجر الجيري والدولوميت بشكل أساسي كمواد بناء أو أرصفة أو عوامل إزالة الحموضة. كربونات الكالسيوم CaCO3 ضروري للحصول على أكسيد الكالسيوم (الجير الحي) CaO وهيدروكسيد الكالسيوم (الجير المطفأ) Ca (OH) 2. في المقابل ، CaO و Ca (OH) 2 هما المادتان الرئيسيتان في العديد من مجالات الصناعات الكيميائية والمعدنية وصناعات بناء الآلات - يستخدم أكسيد الكالسيوم ، في شكله الحر وكجزء من مخاليط السيراميك ، في إنتاج المواد المقاومة للحرارة ؛ تحتاج صناعة اللب والورق إلى كميات هائلة من هيدروكسيد الكالسيوم. بالإضافة إلى ذلك ، يستخدم Ca (OH) 2 في إنتاج مواد التبييض (مبيض جيد ومطهر) ، وملح البرثوليت ، والصودا ، وبعض المبيدات لمكافحة الآفات النباتية. يتم استهلاك كمية كبيرة من الجير في إنتاج الفولاذ - لإزالة الكبريت والفوسفور والسيليكون والمنغنيز. دور آخر للجير في علم المعادن هو إنتاج المغنيسيوم. يستخدم الجير أيضًا كمواد تشحيم لسحب الأسلاك الفولاذية وتحييد سوائل تخليل النفايات المحتوية على حامض الكبريتيك. بالإضافة إلى ذلك ، يعتبر الجير أكثر الكاشفات الكيميائية شيوعًا في معالجة مياه الشرب والمياه الصناعية (جنبًا إلى جنب مع الشب أو أملاح الحديد ، فإنه يخثر المعلقات ويزيل الرواسب ، كما يعمل على تليين الماء عن طريق إزالة عسر البيكربونات المؤقت). في الحياة اليومية والطب ، تُستخدم كربونات الكالسيوم المترسبة كعامل معادل للأحماض ، ومادة كاشطة خفيفة في معاجين الأسنان ، ومصدر للكالسيوم الإضافي في الوجبات الغذائية ، ومكون من العلكة وحشو في مستحضرات التجميل. يستخدم كربونات الكالسيوم CaCO3 أيضًا كمواد مالئة في المطاط واللاتكس والدهانات والمينا ، وكذلك في البلاستيك (حوالي 10٪ من حيث الوزن) لتحسين مقاومتها للحرارة والصلابة والصلابة والقدرة على العمل.

فلوريد الكالسيوم CaF2 له أهمية خاصة لأنه في شكل معدن (الفلوريت) هو المصدر الصناعي الوحيد المهم للفلور! يستخدم فلوريد الكالسيوم (الفلوريت) في شكل بلورات مفردة في البصريات (الأهداف الفلكية ، العدسات ، المنشورات) وكمواد ليزر. الحقيقة هي أن الزجاجات المصنوعة من فلوريد الكالسيوم وحدها قابلة للنفاذ إلى الطيف بأكمله. يتم استخدام تنغستات الكالسيوم (scheelite) على شكل بلورات مفردة في تكنولوجيا الليزر وأيضًا كمومض. لا يقل أهمية عن كلوريد الكالسيوم CaCl2 - وهو مكون من المحاليل الملحية لوحدات التبريد ولملء إطارات الجرارات والمركبات الأخرى. بمساعدة كلوريد الكالسيوم ، يتم تطهير الطرق والأرصفة من الثلج والجليد ، ويستخدم هذا المركب لحماية الفحم والخام من التجمد أثناء النقل والتخزين ، ويتم تشريب الخشب بمحلوله لمنحه مقاومة للحريق. يستخدم CaCl2 في الخلطات الخرسانية لتسريع بداية الإعداد ، وزيادة القوة الأولية والنهائية للخرسانة.

يتم استخدام كربيد الكالسيوم الذي يتم الحصول عليه صناعياً CaC2 (عند تكليسه في الأفران الكهربائية لأكسيد الكالسيوم مع فحم الكوك) لإنتاج الأسيتيلين وتقليل المعادن ، وكذلك لإنتاج سياناميد الكالسيوم ، والذي بدوره يطلق الأمونيا تحت عمل بخار الماء. بالإضافة إلى ذلك ، يستخدم سياناميد الكالسيوم لإنتاج اليوريا - السماد والمواد الخام الأكثر قيمة لإنتاج الراتنجات الاصطناعية. عن طريق تسخين الكالسيوم في جو هيدروجين ، يتم الحصول على CaH2 (هيدريد الكالسيوم) ، والذي يستخدم في علم المعادن (المعادن الحرارية) وفي إنتاج الهيدروجين في الحقل (يمكن الحصول على أكثر من متر مكعب من الهيدروجين من كيلوغرام واحد من هيدريد الكالسيوم ) والتي تستخدم لملء البالونات مثلا. في الممارسة المعملية ، يتم استخدام هيدريد الكالسيوم كعامل اختزال نشط. زرنيخات الكالسيوم ، التي يتم الحصول عليها عن طريق تحييد حمض الزرنيخ مع الجير ، تستخدم على نطاق واسع لمكافحة سوسة القطن ، وعثة الترميز ، ودودة التبغ ، وخنفساء البطاطس في كولورادو. من مبيدات الفطريات المهمة رذاذ كبريتات الجير ومخاليط بوردو ، والتي يتم الحصول عليها من كبريتات النحاس وهيدروكسيد الكالسيوم.

إنتاج

أول من حصل على الكالسيوم المعدني كان الكيميائي الإنجليزي همفري ديفي. في عام 1808 ، قام بتحليل خليط من الجير المطفأ الرطب Ca (OH) 2 مع أكسيد الزئبق HgO على صفيحة بلاتينية كانت بمثابة قطب موجب (سلك بلاتيني مغمور في الزئبق يعمل ككاثود) ، ونتيجة لذلك حصل ديفي على ملغم الكالسيوم بإزالة الزئبق منه ، حصل الكيميائي على معدن جديد أطلق عليه الكالسيوم.

في الصناعة الحديثة ، يتم الحصول على الكالسيوم المعدني الحر عن طريق التحليل الكهربائي لكلوريد الكالسيوم المنصهر CaCl2 ، وتتراوح نسبتهما 75-85٪ وكلوريد البوتاسيوم KCl (من الممكن استخدام خليط من CaCl2 و CaF2) أو عن طريق الاختزال الحراري لأكسيد الكالسيوم CaO عند درجة حرارة من 1170 إلى 1200 درجة مئوية. يتم الحصول على كلوريد الكالسيوم اللامائي النقي المطلوب للتحليل الكهربائي عن طريق كلورة أكسيد الكالسيوم عن طريق التسخين في وجود الفحم أو عن طريق تجفيف CaCl2 ∙ 6H2O الناتج عن عمل حمض الهيدروكلوريك على الحجر الجيري. تتم عملية التحليل الكهربائي في حمام التحليل الكهربائي ، حيث يتم وضع ملح كلوريد الكالسيوم الجاف وكلوريد البوتاسيوم ، وهو أمر ضروري لخفض نقطة انصهار الخليط ، وخالي من الشوائب. يتم وضع كتل الجرافيت فوق حوض الاستحمام - يعمل القطب الموجب أو الحديد الزهر أو حمام الفولاذ المملوء بسبيكة النحاس والكالسيوم ككاثود. في عملية التحليل الكهربائي ، يمر الكالسيوم إلى سبيكة من النحاس والكالسيوم ، مما يثريها بشكل كبير ، ويتم استخراج جزء من السبيكة المخصبة باستمرار ، بدلاً من سبيكة مستنفدة في الكالسيوم (30-35٪ Ca) ، في نفس الوقت ، يتشكل الكلور خليط الكلور والهواء (غازات الأنود) ، والذي يدخل بعد ذلك في كلورة حليب الليمون. يمكن استخدام سبائك النحاس والكالسيوم المخصب مباشرة كسبيكة أو إرسالها للتنقية (التقطير) ، حيث يتم التقطير في الفراغ (عند درجة حرارة 1،000-1،080 درجة مئوية وضغط متبقي من 13-20 كيلو باسكال) ، الكالسيوم المعدني يتم الحصول على النقاء النووي منه. للحصول على كالسيوم عالي النقاوة يتم تقطيره مرتين. تتم عملية التحليل الكهربائي عند درجة حرارة 680-720 درجة مئوية. الحقيقة هي أن هذه هي درجة الحرارة المثلى لعملية التحليل الكهربائي - عند درجة حرارة منخفضة ، تطفو سبيكة غنية بالكالسيوم على سطح المنحل بالكهرباء ، وعند درجة حرارة أعلى ، يذوب الكالسيوم في المنحل بالكهرباء بتكوين CaCl. في التحليل الكهربائي باستخدام الكاثودات السائلة من الكالسيوم وسبائك الرصاص أو الكالسيوم وسبائك الكالسيوم مع الرصاص (للمحامل) ومع الزنك المستخدم في التكنولوجيا ، يتم الحصول عليها مباشرة (للحصول على الخرسانة الرغوية - عندما تتفاعل السبيكة مع الرطوبة ، يتم إطلاق الهيدروجين و يتم إنشاء هيكل مسامي). في بعض الأحيان يتم تنفيذ العملية باستخدام كاثود من الحديد المبرد ، والذي لا يتلامس إلا مع سطح المنحل بالكهرباء المنصهر. عندما يتم إطلاق الكالسيوم ، يتم رفع الكاثود تدريجياً ، ويتم سحب قضيب (50-60 سم) من الكالسيوم من الذوبان ، محميًا من الأكسجين الجوي بطبقة من الإلكتروليت المتصلب. يتم الحصول على الكالسيوم "بطريقة اللمس" ، وهو ملوث بشدة بكلوريد الكالسيوم والحديد والألمنيوم والصوديوم ، ويتم التنقية عن طريق إعادة الصهر في جو الأرجون.

طريقة أخرى للحصول على الكالسيوم - المعدنية الحرارية - تم إثباتها نظريًا في عام 1865 من قبل الكيميائي الروسي الشهير إن إن بيكيتوف. تعتمد الطريقة الحرارية على التفاعل:

6CaO + 2Al → 3CaO Al2O3 + 3Ca

يتم ضغط القوالب من خليط من أكسيد الكالسيوم مع مسحوق الألمنيوم ، وتوضع في معوجة مصنوعة من فولاذ الكروم والنيكل ويتم تقطير الكالسيوم المتشكل عند 1170-1 200 درجة مئوية والضغط المتبقي 0.7-2.6 باسكال. يتم الحصول على الكالسيوم على شكل بخار ، ثم يتم تكثيفه على سطح بارد. يتم استخدام الطريقة الحرارية لإنتاج الكالسيوم في الصين وفرنسا وعدد من البلدان الأخرى. على المستوى الصناعي ، كانت الطريقة المعدنية الحرارية لإنتاج الكالسيوم هي أول طريقة استخدمتها الولايات المتحدة خلال الحرب العالمية الثانية. بنفس الطريقة ، يمكن الحصول على الكالسيوم عن طريق تقليل CaO مع الفيروسيليكون أو الألومنيوم السيليكون. ينتج الكالسيوم على شكل سبائك أو صفائح بنقاوة 98-99٪.

هناك إيجابيات وسلبيات لكلتا الطريقتين. طريقة التحليل الكهربائي متعددة العمليات ، وتستهلك الكثير من الطاقة (لكل كيلوغرام واحد من الكالسيوم ، تستهلك الطاقة 40-50 كيلوواط ساعة) ، علاوة على ذلك ، فهي ليست آمنة بيئيًا ، وتتطلب كمية كبيرة من الكواشف والمواد. ومع ذلك ، فإن مردود الكالسيوم بهذه الطريقة هو 70-80٪ ، بينما بالطريقة الحرارية يكون العائد 50-60٪ فقط. بالإضافة إلى ذلك ، مع الطريقة المعدنية الحرارية للحصول على الكالسيوم ، فإن الطرح هو أنه من الضروري إعادة التقطير ، والإضافة في انخفاض استهلاك الطاقة ، وفي غياب الغاز والانبعاثات الضارة السائلة.

منذ وقت ليس ببعيد ، تم تطوير طريقة جديدة للحصول على الكالسيوم المعدني - وهي تعتمد على التفكك الحراري لكربيد الكالسيوم: يتحلل كربيد يتم تسخينه في فراغ يصل إلى 1750 درجة مئوية مع تكوين بخار الكالسيوم والجرافيت الصلب.

حتى منتصف القرن العشرين ، كان معدن الكالسيوم يُنتج بكميات صغيرة جدًا ، لأنه لم يستخدم أبدًا تقريبًا. على سبيل المثال ، في الولايات المتحدة الأمريكية خلال الحرب العالمية الثانية ، لم يتم استهلاك أكثر من 25 طنًا من الكالسيوم ، وفي ألمانيا ، 5-10 أطنان فقط. فقط في النصف الثاني من القرن العشرين ، عندما أصبح من الواضح أن الكالسيوم هو عامل اختزال نشط للعديد من المعادن النادرة والحرارية ، بدأ نمو سريع في الاستهلاك (حوالي 100 طن في السنة) ، ونتيجة لذلك ، في إنتاج هذا المعدن. مع تطور الصناعة النووية ، حيث يتم استخدام الكالسيوم كعنصر من مكونات الاختزال الحراري المعدني لليورانيوم من رباعي فلوريد اليورانيوم (باستثناء الولايات المتحدة الأمريكية ، حيث يتم استخدام المغنيسيوم بدلاً من الكالسيوم) ، فإن الطلب (حوالي 2000 طن سنويًا) لرقم العنصر عشرون ، وكذلك إنتاجها ، قد زاد عدة مرات. في الوقت الحالي ، يمكن اعتبار الصين وروسيا وكندا وفرنسا المنتجين الرئيسيين لمعدن الكالسيوم. يتم إرسال الكالسيوم من هذه البلدان إلى الولايات المتحدة الأمريكية والمكسيك وأستراليا وسويسرا واليابان وألمانيا وبريطانيا العظمى. ارتفعت أسعار معادن الكالسيوم بشكل مطرد حتى بدأت الصين في إنتاج المعدن بكميات من هذا القبيل ظهرت فائض من العنصر العشرين في السوق العالمية ، مما أدى إلى انخفاض حاد في الأسعار.

الخصائص الفيزيائية

ما هو الكالسيوم المعدني؟ ما هي الخصائص التي يمتلكها هذا العنصر ، التي حصل عليها الكيميائي الإنجليزي همفري ديفي عام 1808 ، وهو معدن يمكن أن تصل كتلته في جسم الشخص البالغ إلى 2 كيلوجرام؟

مادة بسيطة الكالسيوم هو معدن خفيف أبيض فضي. كثافة الكالسيوم 1.54 جم / سم 3 فقط (عند درجة حرارة 20 درجة مئوية) ، وهي أقل بكثير من كثافة الحديد (7.87 جم / سم 3) والرصاص (11.34 جم / سم 3) والذهب (19.3 جم / سم 3) ) أو البلاتين (21.5 جم / سم 3). الكالسيوم أخف من المعادن "عديمة الوزن" مثل الألومنيوم (2.70 جم / سم 3) أو المغنيسيوم (1.74 جم / سم 3). قليل من المعادن يمكن أن "تتباهى" بكثافة أقل من تلك الموجودة في العنصر العشرين - الصوديوم (0.97 جم / سم 3) ، البوتاسيوم (0.86 جم / سم 3) ، الليثيوم (0.53 جم / سم 3). من حيث الكثافة ، يشبه الكالسيوم إلى حد كبير الروبيديوم (1.53 جم / سم 3). درجة انصهار الكالسيوم 851 درجة مئوية ، ودرجة الغليان 1480 درجة مئوية. نقاط انصهار مماثلة (على الرغم من انخفاضها قليلاً) ونقاط الغليان للمعادن الأرضية القلوية الأخرى - السترونشيوم (770 درجة مئوية و 1380 درجة مئوية) والباريوم (710 درجة مئوية و 1640 درجة مئوية).

يوجد الكالسيوم المعدني في تعديلين متآصلين: في درجات حرارة عادية تصل إلى 443 درجة مئوية ، الكالسيوم ألفا مع شعرية مكعبة مركزية الوجه مثل النحاس مستقرة ، مع المعلمات: a = 0.558 نانومتر ، z = 4 ، مجموعة الفضاء Fm3m ، الذري نصف قطرها 1.97 أ ، نصف قطر أيوني Ca2 + 1.04 أ ؛ في نطاق درجة الحرارة 443-842 درجة مئوية ، يكون الكالسيوم مستقرًا مع شبكة مكعبة محورها الجسم من النوع α-iron ، مع المعلمات a = 0.448 نانومتر ، z = 2 ، مجموعة الفضاء Im3m. المحتوى الحراري القياسي للانتقال من تعديل α إلى تعديل β هو 0.93 كيلو جول / مول. معامل درجة حرارة التمدد الخطي للكالسيوم في نطاق درجة الحرارة 0-300 درجة مئوية هو 22 10-6. الموصلية الحرارية للعنصر العشرين عند 20 درجة مئوية هي 125.6 واط / (م · ك) أو 0.3 كال / (سم ثانية · درجة مئوية). الحرارة النوعية للكالسيوم في النطاق من 0 إلى 100 درجة مئوية هي 623.9 جول / (كجم كلفن) أو 0.149 كالوري / (جم درجة مئوية). المقاومة الكهربائية النوعية للكالسيوم عند درجة حرارة 20 درجة مئوية هي 4.6 10-8 أوم م أو 4.6 10-6 أوم سم ؛ معامل درجة الحرارة للمقاومة الكهربائية للعنصر رقم عشرين 4.57 10-3 (عند 20 درجة مئوية). معامل مرونة الكالسيوم 26 Gn / m2 أو 2600 kgf / mm2 ؛ قوة الشد 60 مليون / م 2 (6 كجم ق / مم 2) ؛ الحد المرن للكالسيوم هو 4 MN / m2 أو 0.4 kgf / mm2 ، ونقطة الإنتاجية هي 38 MN / m2 (3.8 kgf / mm2) ؛ الاستطالة النسبية للعنصر العشرين 50٪ ؛ صلابة برينل من الكالسيوم 200-300 مليون / م 2 أو 20-30 كجم / مم 2. مع الزيادة التدريجية في الضغط ، يبدأ الكالسيوم في إظهار خصائص أشباه الموصلات ، لكنه لا يصبح بالمعنى الكامل للكلمة (في هذه الحالة ، لم يعد معدنًا أيضًا). مع زيادة أخرى في الضغط ، يعود الكالسيوم إلى الحالة المعدنية ويبدأ في إظهار خصائص فائقة التوصيل (درجة حرارة التوصيل الفائق أعلى بست مرات من درجة حرارة الزئبق ، وهي أعلى بكثير في الموصلية من جميع العناصر الأخرى). يتشابه السلوك الفريد للكالسيوم من نواحٍ عديدة مع السترونشيوم (أي ، يتم الحفاظ على المتوازيات في الجدول الدوري).

لا تختلف الخصائص الميكانيكية للكالسيوم الأولي عن خصائص الأعضاء الآخرين في عائلة المعادن ، وهي مواد هيكلية ممتازة: فالكالسيوم المعدني عالي النقاوة عبارة عن بلاستيك ، ومضغوط وملفوف جيدًا ، ومسحوبًا في سلك ، ومزورًا ومشكلاً آليًا - يمكن يتم تشغيله على مخرطة. ومع ذلك ، على الرغم من كل هذه الصفات الممتازة للمادة الهيكلية ، فإن الكالسيوم ليس كذلك - والسبب في كل شيء هو نشاطه الكيميائي العالي. ومع ذلك ، لا ينبغي لأحد أن ينسى أن الكالسيوم مادة هيكلية لا يمكن الاستغناء عنها لأنسجة العظام ، وأن معادنه كانت مادة بناء لآلاف السنين.

الخواص الكيميائية

تكوين غلاف الإلكترون الخارجي لذرة الكالسيوم هو 4s2 ، والذي يحدد تكافؤ العنصر العشرين في المركبات. يتم فصل إلكترونين من الطبقة الخارجية بسهولة نسبيًا عن الذرات ، والتي يتم تحويلها في هذه الحالة إلى أيونات موجبة مزدوجة الشحنة. لهذا السبب ، من حيث النشاط الكيميائي ، فإن الكالسيوم أقل قليلاً من الفلزات القلوية (البوتاسيوم ، الصوديوم ، الليثيوم). مثل الأخير ، الكالسيوم الموجود بالفعل في درجة حرارة الغرفة العادية يتفاعل بسهولة مع الأكسجين وثاني أكسيد الكربون والهواء الرطب ، ويصبح مغطى بغشاء رمادي باهت من خليط من أكسيد الكالسيوم و Ca (OH) 2 هيدروكسيد. لذلك ، يتم تخزين الكالسيوم في وعاء مغلق بإحكام تحت طبقة من الزيت المعدني أو البارافين السائل أو الكيروسين. عند تسخينه في الأكسجين والهواء ، يشتعل الكالسيوم ، ويحترق بلهب أحمر لامع ، ويتشكل أكسيد قاعدي CaO ، وهو مادة بيضاء شديدة المقاومة للحريق مع نقطة انصهار تبلغ حوالي 2600 درجة مئوية. يُعرف أكسيد الكالسيوم أيضًا في الفن باسم الجير الحي أو الجير المحترق. كما يتم الحصول على بيروكسيدات الكالسيوم - CaO2 و CaO4. يتفاعل الكالسيوم مع الماء مع إطلاق الهيدروجين (في سلسلة الإمكانات القياسية ، يقع الكالسيوم على يسار الهيدروجين وهو قادر على إزاحته من الماء) وتكوين هيدروكسيد الكالسيوم Ca (OH) 2 ، وفي الماء البارد ينخفض ​​معدل التفاعل تدريجياً (بسبب تكوين طبقة من هيدروكسيد الكالسيوم الضعيف الذوبان):

Ca + 2H2O → Ca (OH) 2 + H2 + Q

يتفاعل الكالسيوم بقوة أكبر مع الماء الساخن ، مما يؤدي إلى إزاحة الهيدروجين بعنف وتشكيل Ca (OH) 2. هيدروكسيد الكالسيوم Ca (OH) 2 هو قاعدة قوية ، قليل الذوبان في الماء. يسمى المحلول المشبع بهيدروكسيد الكالسيوم ماء الجير وهو قلوي. في الهواء ، يصبح ماء الجير سريعًا عكرًا بسبب امتصاص ثاني أكسيد الكربون وتكوين كربونات الكالسيوم غير القابلة للذوبان. على الرغم من هذه العمليات العنيفة التي تحدث أثناء تفاعل العنصر العشرين مع الماء ، ومع ذلك ، على عكس المعادن القلوية ، فإن تفاعل تفاعل الكالسيوم مع الماء يحدث بشكل أقل قوة - بدون انفجارات واشتعال. بشكل عام ، يكون تفاعل الكالسيوم أقل من تفاعل المعادن الأرضية القلوية الأخرى.

يتحد الكالسيوم بشكل فعال مع الهالوجينات ، وبالتالي تكوين مركبات من نوع CaX2 - يتفاعل مع الفلور في البرد ، ومع الكلور والبروم عند درجات حرارة أعلى من 400 درجة مئوية ، مما يعطي CaF2 و CaCl2 و CaBr2 ، على التوالي. هذه الهاليدات في شكل الحالة المنصهرة مع هاليدات الكالسيوم من نوع CaX - CaF ، CaCl ، حيث يكون الكالسيوم أحادي التكافؤ بشكل رسمي. هذه المركبات مستقرة فقط فوق درجات حرارة انصهار ثنائي الهاليدات (فهي غير متناسبة عند التبريد بتكوين Ca و CaX2). بالإضافة إلى ذلك ، يتفاعل الكالسيوم بنشاط ، خاصة عند تسخينه ، مع العديد من غير المعادن: عند تسخينه ، يتم الحصول على كبريتيد الكالسيوم CaS مع الكبريت ، ويضيف الأخير الكبريت ، مكونًا polysulfides (CaS2 ، CaS4 وغيرها) ؛ بالتفاعل مع الهيدروجين الجاف عند درجة حرارة 300-400 درجة مئوية ، يشكل الكالسيوم هيدروجين CaH2 - مركب أيوني يكون فيه الهيدروجين أنيون. هيدريد الكالسيوم CaH2 مادة بيضاء شبيهة بالملح تتفاعل بعنف مع الماء لإطلاق الهيدروجين:

CaH2 + 2H2O → Ca (OH) 2 + 2H2

عند تسخينه (حوالي 500 درجة مئوية) في جو من النيتروجين ، يشتعل الكالسيوم ويشكل نيتريد Ca3N2 ، المعروف في شكلين بلوريين - درجة حرارة عالية α ودرجة حرارة منخفضة β. أيضًا ، تم الحصول على نيتريد Ca3N4 بتسخين أميد الكالسيوم Ca (NH2) 2 في الفراغ. عند تسخينه دون الوصول إلى الهواء باستخدام الجرافيت (الكربون) أو السيليكون أو الفوسفور ، يعطي الكالسيوم ، على التوالي ، كربيد الكالسيوم CaC2 ومبيدات السيليكون Ca2Si و Ca3Si4 و CaSi و CaSi2 والفوسفيدات Ca3P2 و CaP و CaP3. تتحلل معظم مركبات الكالسيوم مع اللافلزات بسهولة عن طريق الماء:

CaH2 + 2H2O → Ca (OH) 2 + 2H2

Ca3N2 + 6Н2О → 3Са (ОН) 2 + 2NH3

مع البورون ، يشكل الكالسيوم بوريد الكالسيوم CaB6 ، مع الكالكوجينات - chalcogenides CaS ، CaSe ، CaTe. المعروف أيضًا باسم polychalcogenides CaS4، CaS5، Ca2Te3. يشكل الكالسيوم مركبات بين الفلزات مع معادن مختلفة - الألمنيوم والذهب والفضة والنحاس والرصاص وغيرها. نظرًا لكونه عامل اختزال نشط ، فإن الكالسيوم يزيح جميع المعادن تقريبًا من أكاسيدها وكبريتيداتها وهاليداتها عند تسخينها. يذوب الكالسيوم جيدًا في الأمونيا السائلة NH3 بتكوين محلول أزرق ، عند تبخره يتم إطلاق الأمونيا [Ca (NH3) 6] - مركب ذهبي صلب ذو موصلية معدنية. عادة ما يتم الحصول على أملاح الكالسيوم عن طريق تفاعل أكاسيد الحمض مع أكسيد الكالسيوم ، وعمل الأحماض على Ca (OH) 2 أو CaCO3 ، وتبادل التفاعلات في محاليل إلكتروليت مائية. العديد من أملاح الكالسيوم قابلة للذوبان في الماء بسهولة (كلوريد CaCl2 ، بروميد CaBr2 ، يوديد CaI2 ونترات Ca (NO3) 2) ، وتشكل دائمًا هيدرات بلورية. الفلوريد CaF2 ، كربونات CaCO3 ، كبريتات CaSO4 ، أورثوفوسفات Ca3 (PO4) 2 ، أكسالات CaC2O4 وبعضها الآخر غير قابل للذوبان في الماء.

الكالسيوم

الكالسيوم-وية والولوج؛ م.[من خط العرض. calx (calcis) - lime] عنصر كيميائي (Ca) ، معدن فضي مائل للأبيض وهو جزء من الحجر الجيري والرخام وما إلى ذلك.

◁ الكالسيوم ، عشر ، ال. أملاح K-th.

(لات. كالسيوم) ، عنصر كيميائي من المجموعة الثانية من الجدول الدوري ، يشير إلى معادن الأرض القلوية. الاسم من خط العرض. كالكس ، الكالس المضاف هو الجير. معدن فضي-أبيض ، كثافة 1.54 جم / سم 3 ، ررر 842 درجة مئوية. يتأكسد بسهولة في الهواء في درجات الحرارة العادية. من حيث الانتشار في قشرة الأرض ، فإنها تحتل المرتبة الخامسة (معادن كالسيت ، جبس ، فلوريت ، إلخ). كعامل اختزال نشط ، يتم استخدامه للحصول على U ، Th ، V ، Cr ، Zn ، Be ومعادن أخرى من مركباتها ، لإزالة الأكسدة من الفولاذ والبرونز ، إلخ. إنه جزء من المواد المضادة للاحتكاك. تستخدم مركبات الكالسيوم في البناء (الجير ، الأسمنت) ، وتستخدم مستحضرات الكالسيوم في الطب.

CALCIUM (الكالسيوم اللاتيني) ، Ca (يُقرأ "كالسيوم") ، عنصر كيميائي برقم ذري 20 ، يقع في الفترة الرابعة في المجموعة IIA من نظام مندليف الدوري للعناصر ؛ الكتلة الذرية 40.08. يشير إلى عدد العناصر القلوية الأرضية (سم.المعادن الأرضية القلوية).
يتكون الكالسيوم الطبيعي من خليط من النويدات (سم.نوكليد)بأعداد الكتلة 40 (في الخليط بالوزن 96.94٪) ، 44 (2.09٪) ، 42 (0.667٪) ، 48 (0.187٪) ، 43 (0.135٪) و 46 (0.003٪). تكوين طبقة الإلكترون الخارجية 4 س 2 ... في جميع المركبات تقريبًا ، تكون حالة أكسدة الكالسيوم +2 (التكافؤ II).
نصف قطر ذرة الكالسيوم المحايدة هو 0.1974 نانومتر ، نصف قطر Ca 2+ أيون من 0.114 نانومتر (للتنسيق رقم 6) إلى 0.148 نانومتر (للتنسيق رقم 12). طاقات التأين المتسلسلة لذرة الكالسيوم المحايدة هي 6.133 و 11.872 و 50.91 و 67.27 و 84.5 فولت على التوالي. على مقياس بولنج ، الكهربية للكالسيوم حوالي 1.0. الكالسيوم الحر معدن أبيض فضي.
تاريخ الاكتشاف
توجد مركبات الكالسيوم في كل مكان في الطبيعة ، لذلك كان البشر على دراية بها منذ العصور القديمة. يستخدم الجير منذ فترة طويلة في البناء (سم.جير)(الجير الحي والمطفأ) ، والذي كان يعتبر لفترة طويلة مادة بسيطة ، "الأرض". ومع ذلك ، في عام 1808 قام العالم الإنجليزي جي ديفي (سم.ديفي همفري)تمكنت من الحصول على معدن جديد من الجير. للقيام بذلك ، قام ديفي بتحليل خليط من الجير المطفأ المبلل قليلاً مع أكسيد الزئبق وعزل معدنًا جديدًا من الملغم المتشكل في كاثود الزئبق ، والذي أطلق عليه الكالسيوم (من اللاتينية كالكس ، جنس الكالس - الجير). في روسيا لبعض الوقت كان يسمى هذا المعدن "الجير".
التواجد في الطبيعة
الكالسيوم هو أحد أكثر العناصر وفرة على وجه الأرض. يمثل 3.38٪ من كتلة القشرة الأرضية (خامس أكثر شيوعًا بعد الأكسجين والسيليكون والألمنيوم والحديد). بسبب نشاطها الكيميائي العالي ، لا يوجد الكالسيوم الحر في الطبيعة. يوجد معظم الكالسيوم في السيليكات (سم.السيليكات)و aluminosilicates (سم.الألوموسيليكات)مختلف الصخور (الجرانيت (سم.الجرانيت)النيس (سم. GNEISS)إلخ.). على شكل صخور رسوبية ، يتم تمثيل مركبات الكالسيوم بالطباشير والحجر الجيري ، وتتكون بشكل أساسي من معدن الكالسيت (سم.كالسيت)(كربونات الكالسيوم 3). الشكل البلوري من الكالسيت - الرخام - أقل شيوعًا في الطبيعة.
معادن الكالسيوم مثل الحجر الجيري شائعة جدًا. (سم.حجر الكلس)كربونات الكالسيوم 3 ، أنهيدريت (سم.الأنهيدريت) CaSO 4 والجبس (سم.جبس) CaSO 4 2H 2 O ، فلوريت (سم.فلوريت) CaF 2 ، الأباتيت (سم.أباتيتس) Ca 5 (PO 4) 3 (F ، Cl ، OH) ، الدولوميت (سم.دولوميت) MgCO 3 · СaCO 3. إن وجود أملاح الكالسيوم والمغنيسيوم في المياه الطبيعية يحدد صلابتها (سم.عسر الماء)... تم العثور على كمية كبيرة من الكالسيوم في الكائنات الحية. لذلك ، هيدروكسيلاباتيت Ca 5 (PO 4) 3 (OH) ، أو ، في ترميز آخر ، 3Ca 3 (PO 4) 2 · Ca (OH) 2 - أساس النسيج العظمي للفقاريات ، بما في ذلك البشر ؛ تتكون أصداف وقشور العديد من اللافقاريات وقشور البيض وما إلى ذلك من كربونات الكالسيوم CaCO 3.
يستلم
يتم الحصول على الكالسيوم المعدني عن طريق التحليل الكهربائي لمادة مصهورة تتكون من CaCl 2 (75-80٪) و KCl أو من CaCl 2 و CaF 2 ، وكذلك عن طريق تقليل الألمنيوم الحراري لـ CaO عند 1170-1200 درجة مئوية:
4CaO + 2Al = CaAl 2 O 4 + 3Ca.
الخصائص الفيزيائية والكيميائية
يوجد معدن الكالسيوم في تعديلين متآصلين (انظر Allotropy (سم.خواص)). حتى 443 درجة مئوية ، تكون a-Ca ذات شبكة شعرية مكعبة مركزية الوجه مستقرة (المعلمة a = 0.558 نانومتر) ، وأعلى هي b-Ca مع شبكة مكعبة من النوع a-Fe محورها الجسم (المعلمة a = 0.448 نانومتر ). درجة انصهار الكالسيوم هي 839 درجة مئوية ، ونقطة الغليان 1484 درجة مئوية ، والكثافة 1.55 جم / سم 3.
تفاعل الكالسيوم مرتفع ، ولكنه أقل من تفاعل جميع المعادن الأرضية القلوية الأخرى. يتفاعل بسهولة مع الأكسجين وثاني أكسيد الكربون والرطوبة في الهواء ، وهذا هو السبب في أن سطح الكالسيوم المعدني عادة ما يكون رمادي باهت ، لذلك في المختبر ، عادةً ما يتم تخزين الكالسيوم ، مثل معادن الأرض القلوية الأخرى ، في جرة مغلقة بإحكام أسفل طبقة من الكيروسين.
في سلسلة الكمون المعيارية ، يقع الكالسيوم على يسار الهيدروجين. جهد القطب القياسي لزوج Ca 2+ / Ca 0 هو –2.84 فولت ، بحيث يتفاعل الكالسيوم بفعالية مع الماء:
Ca + 2H 2 O = Ca (OH) 2 + H 2.
يتفاعل الكالسيوم مع غير المعادن النشطة (الأكسجين ، الكلور ، البروم) في الظروف العادية:
2Ca + O 2 = 2CaO ؛ Ca + Br 2 = CaBr 2.
عند تسخينه في الهواء أو الأكسجين ، يشتعل الكالسيوم. يتفاعل الكالسيوم مع المعادن غير المعدنية الأقل نشاطًا (الهيدروجين والبورون والكربون والسيليكون والنيتروجين والفوسفور وغيرها) عند تسخينه ، على سبيل المثال:
Ca + H 2 = CaH 2 (هيدريد الكالسيوم) ،
Ca + 6B = CaB 6 (بوريد الكالسيوم) ،
3Ca + N 2 = Ca 3 N 2 (نيتريد الكالسيوم)
Ca + 2C = CaC 2 (كربيد الكالسيوم)
3Ca + 2P = Ca 3 P 2 (فوسفيد الكالسيوم) ، تُعرف أيضًا فوسيدات الكالسيوم لتركيبات CaP و CaP 5 ؛
تُعرف أيضًا 2Ca + Si = Ca 2 Si (سيليكات الكالسيوم) ، ومبيدات سيليكات الكالسيوم للتركيبات CaSi و Ca 3 Si 4 و CaSi 2.
مسار التفاعلات المذكورة أعلاه ، كقاعدة عامة ، مصحوب بإطلاق كمية كبيرة من الحرارة (أي أن هذه التفاعلات طاردة للحرارة). في جميع المركبات التي تحتوي على غير فلزات ، تكون حالة أكسدة الكالسيوم +2. تتحلل معظم مركبات الكالسيوم مع اللافلزات بسهولة عن طريق الماء ، على سبيل المثال:
CaH 2 + 2H 2 O = Ca (OH) 2 + 2H 2 ،
Ca 3 N 2 + 3H 2 O = 3Ca (OH) 2 + 2NH 3.
عادة ما يكون أكسيد الكالسيوم قاعديًا. في المختبر والتكنولوجيا يتم الحصول عليها عن طريق التحلل الحراري للكربونات:
كربونات الكالسيوم 3 = CaO + CO 2.
يسمى أكسيد الكالسيوم التقني CaO الجير الحي.
يتفاعل مع الماء ليشكل Ca (OH) 2 ويطلق كمية كبيرة من الحرارة:
CaO + H 2 O = Ca (OH) 2.
عادةً ما يُطلق على Ca (OH) 2 التي يتم الحصول عليها بهذه الطريقة اسم الجير المطفأ أو حليب الجير. (سم.حليب الليمون)يرجع ذلك إلى حقيقة أن قابلية ذوبان هيدروكسيد الكالسيوم في الماء منخفضة (0.02 مول / لتر عند 20 درجة مئوية) ، وعند إضافته إلى الماء ، يتم تكوين تعليق أبيض.
عند التفاعل مع الأكاسيد الحمضية ، يشكل CaO أملاحًا ، على سبيل المثال:
CaO + CO 2 = كربونات الكالسيوم 3 ؛ CaO + SO 3 = CaSO4.
أيون Ca 2+ عديم اللون. عند إضافة أملاح الكالسيوم إلى اللهب ، يتحول لون اللهب إلى الأحمر القرميدي.
أملاح الكالسيوم مثل كلوريد CaCl 2 ، بروميد CaBr 2 ، يوديد CaI 2 ونترات Ca (NO 3) 2 قابلة للذوبان في الماء بسهولة. الفلوريد CaF 2 ، كربونات CaCO 3 ، كبريتات CaSO 4 ، متوسط ​​الفوسفات Ca 3 (PO 4) 2 ، أكسالات CaC 2 O 4 وبعضها الآخر غير قابل للذوبان في الماء.
من الأهمية بمكان حقيقة أنه ، على عكس متوسط ​​كربونات الكالسيوم CaCO 3 ، فإن كربونات الكالسيوم الحمضية (بيكربونات) Ca (HCO 3) 2 قابلة للذوبان في الماء. في الطبيعة ، هذا يؤدي إلى العمليات التالية. عندما يخترق المطر البارد أو مياه الأنهار المشبعة بثاني أكسيد الكربون تحت الأرض ويسقط على الحجر الجيري ، يلاحظ انحلالها:
CaCO 3 + CO 2 + H 2 O = Ca (HCO 3) 2.
في نفس الأماكن التي يخرج فيها الماء المشبع ببيكربونات الكالسيوم إلى سطح الأرض ويتم تسخينه بواسطة أشعة الشمس ، يحدث التفاعل المعاكس:
Ca (HCO 3) 2 = CaCO 3 + CO 2 + H 2 O.
هذه هي الطريقة التي يتم بها نقل الكتل الكبيرة من المواد في الطبيعة. نتيجة لذلك ، يمكن أن تتكون المجاري الضخمة تحت الأرض (انظر كارست (سم.كارست (ظاهرة طبيعية))) ، والحجر الجليدي الجميل - تتشكل الهوابط في الكهوف (سم.الركود (التكوينات المعدنية))والصواعد (سم. STALAGMITS).
إن وجود بيكربونات الكالسيوم المذابة في الماء يحدد إلى حد كبير درجة عسر الماء المؤقتة (سم.عسر الماء)... يطلق عليه مؤقتًا لأنه عند غليان الماء ، يتحلل البيكربونات ، ويترسب كربونات الكالسيوم 3. تؤدي هذه الظاهرة ، على سبيل المثال ، إلى حقيقة أن الميزان يتراكم في الغلاية بمرور الوقت.
استخدام الكالسيوم ومركباته
يستخدم الكالسيوم المعدني في إنتاج اليورانيوم المعدني (سم.اليورانيوم (عنصر كيميائي))، الثوريوم (سم.الثوريوم)التيتانيوم (سم.تيتانيوم (عنصر كيميائي))الزركونيوم (سم.الزركونيوم)، سيزيوم (سم.السيزيوم)والروبيديوم (سم.روبيديوم).
تستخدم مركبات الكالسيوم الطبيعية على نطاق واسع في إنتاج المواد الرابطة (الأسمنت (سم.يبني)، جص (سم.جبس)، الجير ، إلخ). يعتمد تأثير ارتباط الجير المطفأ على حقيقة أنه بمرور الوقت ، يتفاعل هيدروكسيد الكالسيوم مع ثاني أكسيد الكربون في الهواء. نتيجة للتفاعل المستمر ، تتشكل بلورات الكالسيت من كربونات الكالسيوم 3 ، والتي تنمو لتصبح أحجارًا قريبة ، وطوبًا ، ومواد بناء أخرى ، ولحمها في كل واحد. كربونات الكالسيوم البلورية - الرخام مادة تشطيب ممتازة. يستخدم الطباشير لتبييض. يتم استهلاك كميات كبيرة من الحجر الجيري في إنتاج الحديد الزهر ، لأنها تسمح للشوائب المقاومة للصهر لخام الحديد (على سبيل المثال ، الكوارتز SiO 2) بالتحول إلى خبث منخفض الانصهار نسبيًا.
التبييض فعال جدا كمطهر. (سم.مسحوق التبييض)- "الكلور" Ca (OCl) Cl - خليط الكلوريد وهيبوكلوريت الكالسيوم (سم.هيبوكلوريت الكالسيوم)مع قدرة عالية على الأكسدة.
تستخدم كبريتات الكالسيوم أيضًا على نطاق واسع ، وهي موجودة في شكل مركبات لا مائية وفي شكل هيدرات بلورية - ما يسمى كبريتات "شبه مائية" - المرمر (سم.ألفيز فريزين (ميلانيز)) CaSO 4 · 0.5H 2 O وكبريتات ثنائي الهيدرات - الجبس CaSO 4 · 2H 2 O. يستخدم الجبس على نطاق واسع في البناء والنحت وتصنيع الجص ومنتجات فنية مختلفة. يستخدم الجص أيضًا في الطب لإصلاح العظام في الكسور.
يستخدم كلوريد الكالسيوم CaCl 2 مع ملح الطعام لأسطح الطرق المضادة للجليد. فلوريد الكالسيوم CaF 2 مادة بصرية ممتازة.
الكالسيوم في الجسم
الكالسيوم مادة مغذية (سم.العناصر البيولوجية)، موجودة باستمرار في أنسجة النباتات والحيوانات. يقوم الكالسيوم بوظائف مختلفة في الجسم ، وهو عنصر مهم في عملية التمثيل الغذائي للمعادن في الحيوانات والبشر والتغذية المعدنية للنباتات. كجزء من الأباتيت (سم.الأباتيت)، بالإضافة إلى كبريتات الكالسيوم وكربونات الكالسيوم ، تشكل مكونًا معدنيًا لأنسجة العظام. وزن جسم الإنسان 70 كجم يحتوي على حوالي 1 كجم من الكالسيوم. يشارك الكالسيوم في عمل القنوات الأيونية (سم.قنوات ايون)، القيام بنقل المواد عبر الأغشية البيولوجية ، في نقل النبضات العصبية (سم.النبض العصبي)، في عمليات تخثر الدم (سم.جمع الدم)والتخصيب. ينظم استقلاب الكالسيوم في الجسم (سم.الكالسيفيرولات)(فيتامين د). يؤدي نقص أو زيادة الكالسيوم إلى أمراض مختلفة - كساح الأطفال (سم.الكريكيت)تكلس (سم.كالسينوز)و غيرها لذلك يجب أن يحتوي غذاء الإنسان على مركبات الكالسيوم بالكميات المطلوبة (800-1500 مجم كالسيوم يومياً). يحتوي محتوى الكالسيوم على نسبة عالية من منتجات الألبان (مثل الجبن والجبن والحليب) وبعض الخضروات والأطعمة الأخرى. تستخدم مستحضرات الكالسيوم على نطاق واسع في الطب.

قاموس موسوعي. 2009 .

مقدمة

خصائص واستخدامات الكالسيوم

1 الخصائص الفيزيائية

2 الخصائص الكيميائية

3 التطبيق

الحصول على الكالسيوم

1 إنتاج التحليل الكهربائي للكالسيوم وسبائكه

2 إيصال حراري

3 طريقة الفراغ الحراري للحصول على الكالسيوم

3.1 طريقة الألمنيوم الحرارية لاستعادة الكالسيوم

3.2 الطريقة الحرارية لاستعادة الكالسيوم

الجزء العملي

فهرس

مقدمة

العنصر الكيميائي للمجموعة الثانية من النظام الدوري لمندليف ، العدد الذري 20 ، الكتلة الذرية 40.08 ؛ معدن خفيف فضي-أبيض. العنصر الطبيعي هو مزيج من ستة نظائر مستقرة: 40كاليفورنيا 42كاليفورنيا 43كاليفورنيا 44كاليفورنيا 46كاليفورنيا و 48Ca ، منها 40 الأكثر شيوعًا كاليفورنيا (96 ، 97٪).

مركبات الكالسيوم - الحجر الجيري والرخام والجبس (وكذلك الجير - أحد منتجات إطلاق الحجر الجيري) كانت تستخدم بالفعل في صناعة البناء في العصور القديمة. حتى نهاية القرن الثامن عشر ، اعتبر الكيميائيون الجير جسمًا بسيطًا. في عام 1789 اقترح لافوازييه أن الجير والمغنيسيا والباريت والألومينا والسيليكا مواد معقدة. في عام 1808 ، أخضع جي ديفي مزيجًا من الجير المطفأ مع أكسيد الزئبق للتحليل الكهربائي باستخدام كاثود الزئبق ، وحضر ملغم الكالسيوم ، وبعد تقطير الزئبق منه ، حصل على معدن يسمى "الكالسيوم" (من اللاتينية كالكس ، جنس الكاليس - الجير) ...

جعلت قدرة الكالسيوم على ربط الأكسجين والنيتروجين من الممكن استخدامه لتنقية الغازات الخاملة وكجالب (Getter هي مادة تستخدم لامتصاص الغازات وإنشاء فراغ عميق في الأجهزة الإلكترونية.) في معدات الراديو الفراغية.

يستخدم الكالسيوم أيضًا في تعدين النحاس والنيكل والفولاذ الخاص والبرونز ؛ ترتبط بشوائب ضارة من الكبريت والفوسفور والكربون الزائد. تستخدم سبائك الكالسيوم مع السيليكون والليثيوم والصوديوم والبورون والألمنيوم لنفس الأغراض.

في الصناعة ، يتم الحصول على الكالسيوم بطريقتين:

) تسخين خليط مقولب من مسحوق CaO و Al عند 1200 درجة مئوية في فراغ من 0.01 - 0.02 مم. RT. فن .؛ ينبعث من رد فعل:

CaO + 2Al = 3CaO Al2O3 + 3Ca

يتكثف بخار الكالسيوم على سطح بارد.

) يتم تحضير سبيكة Cu - Ca (65٪ Ca) عن طريق التحليل الكهربائي لصهر CaCl2 و KCl باستخدام كاثود سائل من النحاس والكالسيوم ، حيث يتم تقطير الكالسيوم عند درجة حرارة 950-1000 درجة مئوية في فراغ 0.1 - 0.001 ملم زئبق.

) كما تم تطوير طريقة لإنتاج الكالسيوم عن طريق التفكك الحراري لكربيد الكالسيوم CaC2.

الكالسيوم وفير في الطبيعة في شكل مركبات مختلفة. في القشرة الأرضية ، تحتل المرتبة الخامسة بنسبة 3.25٪ ، وغالبًا ما توجد على شكل حجر جيري كربونات الكالسيوم 3، الدولوميت كربونات الكالسيوم 3ملغ CO 3والجبس CaSO 42 ح 2O ، الفوسفوريت Ca 3(ص 4)2 وفلورسبار CaF 2مع عدم احتساب نسبة الكالسيوم المهمة في تكوين صخور السيليكات. تحتوي مياه البحر في المتوسط ​​على 0.04٪ (وزن) من الكالسيوم.

في هذا المقرر الدراسي ، يتم دراسة خصائص الكالسيوم واستخدامه ، بالإضافة إلى دراسة نظرية وتكنولوجيا الطرق الحرارية الفراغية لإنتاجه بالتفصيل.

. خصائص واستخدامات الكالسيوم

.1 الخصائص الفيزيائية

الكالسيوم معدن أبيض فضي ، لكنه يتلطخ في الهواء بسبب تكوين أكسيد على سطحه. إنه معدن مطيل أصلب من الرصاص. خلية بلورية ?-شكل Ca (مستقر عند درجة الحرارة المحيطة) مكعب متمركز على الوجه ، a = 5.56 Å ... نصف القطر الذري 1.97 Å ، نصف القطر الأيوني Ca 2+, 1,04Å ... الكثافة 1.54 جم / سم 3(20 درجة مئوية). فوق 464 درجة مئوية ، سداسية ?-الاستمارة. tp 851 درجة مئوية ، bp 1482 درجة مئوية ؛ معامل درجة حرارة التمدد الخطي 22 10 -6 (0-300 درجة مئوية) ؛ الموصلية الحرارية عند 20 درجة مئوية 125.6 واط / (م · كلفن) أو 0.3 كالوري / (سم · ثانية · درجة مئوية) ؛ حرارة محددة (0-100 درجة مئوية) 623.9 جول / (كجم كلفن) أو 0.149 كالوري / (جم درجة مئوية) ؛ المقاومة الكهربائية عند 20 درجة مئوية 4.6 10 -8أوم م أو 4.6 10 -6 أوم سم ؛ معامل درجة الحرارة للمقاومة الكهربائية 4.57 · 10-3 (20 درجة مئوية). معامل المرونة 26 Gn / m 2(2600 كجم / مم 2) ؛ قوة الشد 60 MN / م 2(6 كجم / مم 2) ؛ حد مرن 4 MN / م 2(0.4 كجم / مم 2) ، قوة الخضوع 38 MN / م 2(3.8 كجم / مم 2) ؛ استطالة 50٪؛ صلابة برينل 200-300 مليون / م 2(20-30 كجم / مم 2). الكالسيوم ذو النقاوة العالية يكون مطيلاً ، مضغوطاً جيداً ، ملفوف وقابل للقطع.

1.2 الخصائص الكيميائية

الكالسيوم معدن نشط. لذلك ، في ظل الظروف العادية ، يتفاعل بسهولة مع الأكسجين والهالوجينات في الغلاف الجوي:

Ca + O 2= 2 CaO (أكسيد الكالسيوم) (1)

Ca + Br 2= CaBr 2(بروميد الكالسيوم). (2)

يتفاعل الكالسيوم مع الهيدروجين والنيتروجين والكبريت والفوسفور والكربون وغير ذلك من المعادن غير المعدنية عند تسخينه:

كاليفورنيا + ح 2= CaH 2(هيدريد الكالسيوم) [3)

كاليفورنيا + ن 2= كاليفورنيا 3ن 2(نيتريد الكالسيوم) [4)

Ca + S = CaS (كبريتيد الكالسيوم) (5)

Ca + 2 P = Ca 3ص 2(فوسفيد الكالسيوم) [6)

Ca + 2 C = CaC 2 (كربيد الكالسيوم) (7)

يتفاعل الكالسيوم ببطء مع الماء البارد ، وبقوة شديدة مع الماء الساخن ، مما يعطي قاعدة قوية Ca (OH) 2 :

كاليفورنيا + 2 ح 2O = Ca (OH) 2 + ح 2 (8)

كونه عامل اختزال نشط ، يمكن للكالسيوم أن يزيل الأكسجين أو الهالوجينات من أكاسيد وهاليدات المعادن الأقل نشاطًا ، أي أن له خصائص مختزلة:

كاليفورنيا + ملحوظة 2O5 = CaO + 2 ملحوظة ؛ (تسع)

Ca + 2 NbCl 5= 5 كاكل 2 + 2 ملحوظة (10)

يتفاعل الكالسيوم بقوة مع الأحماض مع تطور الهيدروجين ، ويتفاعل مع الهالوجينات ، مع الهيدروجين الجاف لتكوين هيدروجين الكالسيوم 2... عند تسخينه ، يشكل الكالسيوم مع الجرافيت كربيد الكالسيوم 2... ينتج الكالسيوم عن طريق التحليل الكهربائي لمادة CaCl المنصهرة 2أو تقليل الألمنيوم في الفراغ:

6СаО + 2Al = 3Ca + 3CaO Al2 ا 3 (11)

يستخدم المعدن النقي لتقليل مركبات Cs و Rb و Cr و V و Zr و Th و U إلى معادن لإزالة أكسدة الفولاذ.

1.3 التطبيق

يجد الكالسيوم تطبيقًا متزايدًا في مختلف الصناعات. في الآونة الأخيرة ، اكتسب أهمية كبيرة كعامل مختزل في تحضير عدد من المعادن.

معدني نقي. يتم الحصول على اليورانيوم عن طريق اختزال فلوريد اليورانيوم بالكالسيوم المعدني. يمكن استخدام الكالسيوم أو هيدراته لتقليل أكاسيد التيتانيوم ، وكذلك أكاسيد الزركونيوم والثوريوم والتنتالوم والنيوبيوم والمعادن النادرة الأخرى.

الكالسيوم مادة جيدة لإزالة الأكسدة ومزيل الغازات في إنتاج سبائك النحاس والنيكل والكروم والنيكل والفولاذ الخاص والنيكل والبرونز القصدير ؛ يزيل الكبريت والفوسفور والكربون من المعادن والسبائك.

يشكل الكالسيوم مركبات حرارية بالبزموت ، لذلك يستخدم لتنقية الرصاص من البزموت.

يضاف الكالسيوم إلى مختلف السبائك الخفيفة. يساعد على تحسين سطح السبائك ونعومتها وتقليل الأكسدة.

السبائك الحاملة التي تحتوي على الكالسيوم منتشرة على نطاق واسع. يمكن استخدام سبائك الرصاص (0.04٪ Ca) لتصنيع أغلفة الكابلات.

تستخدم سبائك الكالسيوم المضادة للاحتكاك مع الرصاص في التكنولوجيا. تستخدم معادن الكالسيوم على نطاق واسع. لذلك ، يتم استخدام الحجر الجيري في إنتاج الجير والأسمنت وطوب السيليكات ومباشرة كمواد بناء ، في علم المعادن (التدفق) ، في الصناعة الكيميائية لإنتاج كربيد الكالسيوم والصودا وهيدروكسيد الصوديوم والتبييض والأسمدة ، في إنتاج السكر والزجاج.

ذات أهمية عملية هي الطباشير والرخام والصاري الأيسلندي والجبس والفلوريت ، إلخ. نظرًا للقدرة على ربط الأكسجين والنيتروجين ، تُستخدم سبائك الكالسيوم أو الكالسيوم مع الصوديوم والمعادن الأخرى لتنقية الغازات النبيلة وكجهاز في معدات الراديو الفراغية. يستخدم الكالسيوم أيضًا في إنتاج الهيدريد ، وهو مصدر للهيدروجين في الحقل.

2. الحصول على الكالسيوم

هناك عدة طرق للحصول على الكالسيوم ، وهي التحليل الكهربائي والحراري والفراغ الحراري.

.1 الإنتاج الكهربائي للكالسيوم وسبائكه

يكمن جوهر الطريقة في حقيقة أن الكاثود يلمس في البداية المنحل بالكهرباء المنصهر. عند نقطة التلامس ، تتشكل قطيرة معدنية سائلة تبلل بئر الكاثود ، والتي ، عندما يتم رفع الكاثود ببطء وبشكل موحد ، تتم إزالتها من الذوبان معها وتتصلب. في هذه الحالة ، يتم تغطية قطرة التصلب بغشاء إلكتروليت صلب يحمي المعدن من الأكسدة والنترة. عن طريق رفع الكاثود بشكل مستمر وحذر ، يتم سحب الكالسيوم إلى القضبان.

2.2 التحضير الحراري

الكالسيوم الكيميائية الحرارية كهربائيا

· عملية الكلوريد: تتكون هذه التقنية من صهر وتجفيف كلوريد الكالسيوم ، وذوبان الرصاص ، وإنتاج سبيكة مزدوجة من الرصاص والصوديوم ، والحصول على سبيكة ثلاثية من الرصاص والصوديوم والكالسيوم وتخفيف السبيكة الثلاثية بالرصاص بعد إزالة الأملاح. يستمر التفاعل مع كلوريد الكالسيوم وفقًا للمعادلة

كاكل 2 + نا 2الرصاص 5 = 2NaCl + PbCa + 2Pb (12)

· عملية الكربيد: يعتمد إنتاج سبائك الرصاص والكالسيوم على التفاعل بين كربيد الكالسيوم والرصاص المنصهر وفقًا للمعادلة

CaC 2+ 3Pb = Pb3 كاليفورنيا + 2 ج. (13)

2.3 طريقة الفراغ الحراري للحصول على الكالسيوم

المواد الخام لطريقة الفراغ الحراري

المادة الخام للاختزال الحراري لأكسيد الكالسيوم هي الجير الناتج عن تكليس الحجر الجيري. المتطلبات الأساسية للمواد الخام هي كما يلي: يجب أن يكون الجير نقيًا قدر الإمكان وأن يحتوي على الحد الأدنى من الشوائب التي يمكن تقليلها وتحويلها إلى معدن إلى جانب الكالسيوم ، وخاصة المعادن القلوية والمغنيسيوم. يجب أن يتم تكليس الحجر الجيري قبل التحلل الكامل للكربونات ، ولكن ليس قبل تلبيده ، لأن قابلية اختزال المادة الملبدة أقل. يجب حماية المنتج المحروق من امتصاص الرطوبة وثاني أكسيد الكربون ، والذي يؤدي إطلاقه أثناء الاستعادة إلى تقليل أداء العملية. تتشابه تقنية تكليس الحجر الجيري ومعالجة المنتج المكلس مع معالجة الدولوميت للطريقة الحرارية لإنتاج المغنيسيوم.

.3.1 طريقة الألمنيوم الحرارية لاستعادة الكالسيوم

يوضح الرسم البياني للاعتماد على درجة الحرارة للتغير في الطاقة الحرة لأكسدة عدد من المعادن (الشكل 1) أن أكسيد الكالسيوم هو أحد أكثر الأكاسيد ديمومة ويصعب تقليلها. لا يمكن تقليله بواسطة معادن أخرى بالطريقة المعتادة - عند درجة حرارة منخفضة نسبيًا وضغط جوي. على العكس من ذلك ، فإن الكالسيوم نفسه هو عامل اختزال ممتاز للمركبات الأخرى التي يصعب تقليلها وعامل إزالة الأكسدة للعديد من المعادن والسبائك. يعد تقليل أكسيد الكالسيوم بالكربون أمرًا مستحيلًا بشكل عام بسبب تكوين كربيدات الكالسيوم. ومع ذلك ، نظرًا لحقيقة أن الكالسيوم يحتوي على ضغط بخار مرتفع نسبيًا ، يمكن تقليل أكسيده في الفراغ باستخدام الألومنيوم أو السيليكون أو سبائكهما وفقًا للتفاعل

CaO + أنا؟ Ca + MeO (14).

حتى الآن ، تم تطبيق طريقة aluminothermic للحصول على الكالسيوم فقط عمليًا ، حيث أنه من الأسهل بكثير استعادة CaO بالألمنيوم مقارنة بالسيليكون. توجد آراء مختلفة حول كيمياء اختزال أكسيد الكالسيوم بالألمنيوم. يعتقد L.Pidgeon و I. Atkinson أن التفاعل يستمر مع تكوين أحادي الألومنيوم من الكالسيوم:

CaO + 2Al = CaO Al 2O3 + 3 ج. (15)

يشير V.A Pazukhin و A. Ya. فيشر إلى أن العملية تستمر في تكوين ألومينات ثلاثي الكالسيوم:

CaO + 2Al = 3CaO Al 2O 3+ 3 ج. (16)

وفقًا لـ A.I.

CaO + 6Al = 5CaO 3Al 2O3 + 9Са. (17)

أثبت أحدث بحث أجراه A. Yu. Taits و A.I. في البداية ، يكون إطلاق الكالسيوم مصحوبًا بتكوين 3CaO AI 2ا 3، والذي يتفاعل بعد ذلك مع أكسيد الكالسيوم والألمنيوم لتشكيل 3CaO 3AI 2ا 3... يستمر التفاعل على النحو التالي:

CaO + 6Al = 2 (3CaO Al 2ا 3) + 2СаО + 2Аl + 6Са

(3СаО Al 2ا 3) + 2СаО + 2Аl = 5СаО 3Al 2O 3+ 3 ج

CaO + 6A1 = 5CaO 3Al 2O 3+ 9Са

نظرًا لأن اختزال الأكسيد يحدث مع إطلاق الكالسيوم البخاري ، وبقية نواتج التفاعل في حالة مكثفة ، فمن السهل فصلها وتكثيفها في الأقسام المبردة بالفرن. الشروط الرئيسية اللازمة لتقليل الفراغ الحراري لأكسيد الكالسيوم هي ارتفاع درجة الحرارة وانخفاض الضغط المتبقي في النظام. فيما يلي العلاقة بين درجة الحرارة وضغط بخار توازن الكالسيوم. يتم التعبير عن الطاقة الحرة للتفاعل (17) المحسوبة لدرجات حرارة 1124-1728 درجة مئوية

F تي = 184820 + 6.95T-12.1 T سجل T.

ومن ثم ، فإن الاعتماد اللوغاريتمي لضغط بخار التوازن للكالسيوم (مم زئبق)

إل جي ع = 3.59 - 4430 \ ت.

حدد L. Pidgeon و I. Atkinson بشكل تجريبي ضغط بخار التوازن للكالسيوم. تم إجراء تحليل ديناميكي حراري تفصيلي لاختزال أكسيد الكالسيوم بالألمنيوم بواسطة I.I.Matveenko ، الذي أعطى اعتمادات درجة الحرارة التالية لضغط توازن بخار الكالسيوم:

إل جي ص سي ايه (1) = 8.64 - 12930 \ T ملم زئبق

إل جي ص سي ايه (2) = 8.62 - 11780 \ T ملم زئبق

إل جي ص كاليفورنيا (3 )= 8.75 - 12500 \ T ملم زئبق

تتم مقارنة البيانات المحسوبة والتجريبية في الجدول. 1.

الجدول 1- تأثير درجة الحرارة على التغير في ضغط توازن بخار الكالسيوم في الأنظمة (1) ، (2) ، (3) ، (3) ، مم زئبق

درجة الحرارة درجة مئوية بيانات الاختبار محسوبة في أنظمة (1) (2) (3) (3 )1401 1451 1500 1600 17000,791 1016 - - -0,37 0,55 1,2 3,9 11,01,7 3,2 5,6 18,2 492,7 3,5 4,4 6,6 9,50,66 1,4 2,5 8,5 25,7

يمكن أن يُلاحظ من البيانات المقدمة أن التفاعلات في الأنظمة (2) و (3) أو (3 ") هي في أفضل الظروف. وهذا يتفق مع الملاحظات ، نظرًا لأن خماسي الكالسيوم ثلاثي الألومينات والألومينات ثلاثي الكالسيوم يسودان في بقايا الشحنة بعد اختزال أكسيد الكالسيوم بالألمنيوم.

توضح البيانات الخاصة بمرونة التوازن أن تقليل أكسيد الكالسيوم بالألمنيوم ممكن عند درجة حرارة 1100-1150 درجة مئوية لتحقيق معدل تفاعل مقبول عمليًا ، يجب أن يكون الضغط المتبقي في نظام النمو أقل من ضغط التوازن P مساو ، أي المتباينة P مساو > ص ost ، ويجب أن تتم العملية في درجات حرارة تصل إلى 1200 درجة. أثبتت الدراسات أنه عند درجة حرارة 1200-1250 درجة ، يتم تحقيق استخدام مرتفع (يصل إلى 70-75٪) واستهلاك منخفض محدد للألمنيوم (حوالي 0.6-0.65 كجم لكل كيلوجرام من الكالسيوم).

وفقًا للتفسير أعلاه لكيمياء العملية ، فإن التركيب الأمثل هو الشحنة المحسوبة لتكوين 5СаО 3Al في المتبقي 2ا 3... لزيادة درجة استخدام الألمنيوم ، من المفيد إعطاء بعض الفائض من أكسيد الكالسيوم ، ولكن ليس كبيرًا جدًا (10-20٪) ، وإلا فإنه سيؤثر سلبًا على المؤشرات الأخرى للعملية. مع زيادة درجة طحن الألمنيوم من الجزيئات 0.8-0.2 مم إلى 0.07 مم (وفقًا لـ V. A. Pazukhin و A. Ya. Fisher) ، يزداد استخدام الألومنيوم في التفاعل من 63.7 إلى 78٪.

يتأثر استخدام الألمنيوم أيضًا بوضع قولبة الشحن. خليط من الجير ومسحوق الألمنيوم يجب أن يتم قوالب قوالب بدون مواد رابطة (لتجنب تطور الغاز في الفراغ) عند ضغط 150 كجم / سم 2... عند الضغط المنخفض ، ينخفض ​​استخدام الألمنيوم بسبب فصل الألمنيوم المصهور في قوالب مسامية بشكل مفرط ، وعند ضغوط أعلى ، بسبب ضعف نفاذية الغاز. يعتمد اكتمال وسرعة الاسترداد أيضًا على كثافة القوالب في المعوجة. عند وضعها بدون فجوات ، عندما تكون نفاذية الغاز في القفص بأكمله منخفضة ، يتم تقليل استخدام الألمنيوم بشكل كبير.

الشكل 2 - مخطط الحصول على الكالسيوم بطريقة الفراغ الحراري.

تكنولوجيا المعالجة الحرارية للألمنيوم

يظهر المخطط التكنولوجي لإنتاج الكالسيوم بطريقة الألمنيوم الحراري في الشكل. 2. يستخدم الحجر الجيري كمادة خام ، ويستخدم مسحوق الألمنيوم المحضر من الألمنيوم الأولي (الأفضل) أو الثانوي كعامل اختزال. يجب ألا يحتوي الألمنيوم المستخدم كعامل اختزال ، وكذلك المواد الخام ، على شوائب من معادن سهلة التطاير: المغنيسيوم ، والزنك ، والقلويات ، وما إلى ذلك ، القادرة على التبخير والتحول إلى مكثف. يجب أن يؤخذ ذلك في الاعتبار عند اختيار درجات الألمنيوم الثانوي.

وفقًا لوصف S. Loomis و P. Staub ، في الولايات المتحدة الأمريكية في مصنع New England Lime Co. في كنعان (كونيتيكت) ، يتم الحصول على الكالسيوم بطريقة الألمنيوم. يتم استخدام الجير من التركيبة النموذجية التالية ، ٪: 97.5 CaO ، 0.65 MgO ، 0.7SiO 2، 0.6 Fe 2Oz + AlO3، 0.09 Na 2يا + ك 2أوه ، 0.5 هو الباقي. يتم طحن المنتج المحروق في مطحنة ريموند مع فاصل طرد مركزي ، دقة الطحن (60٪) ناقص 200 شبكة. يستخدم غبار الألومنيوم كعامل اختزال ، وهو ضياع في إنتاج مسحوق الألمنيوم. يتم تغذية الجير المحروق من القواديس المغلقة والألمنيوم من البراميل إلى ميزان الخلط ثم إلى الخلاط. بعد الخلط ، يتم طحن الشحنة إلى قوالب جافة. في المصنع المذكور ، يتم تقليل الكالسيوم في أفران معوجة ، والتي كانت تستخدم سابقًا للحصول على المغنيسيوم بالطريقة الحرارية السليكونية (الشكل 3). يتم تسخين الأفران بغاز المولد. يحتوي كل فرن على 20 معوجة أفقية مصنوعة من الفولاذ المقاوم للصهر يحتوي على 28٪ كروم و 15٪ نيكل.

صورة 3- فرن معوجة لإنتاج الكالسيوم

طول معوجة 3 م ، قطر 254 مم ، سمك جدار 28 مم. يحدث الاسترداد في الجزء الساخن من المعوجة ويحدث التكثيف في الطرف البارد الخارج من الكلام. يتم إدخال القوالب في المعوجة في أكياس ورقية ، ثم يتم إدخال المكثفات وإغلاق المعوجة. يتم تفريغ الهواء بواسطة مضخات تفريغ ميكانيكية في بداية الدورة. ثم يتم توصيل مضخات الانتشار ويتم تقليل الضغط المتبقي إلى 20 ميكرون.

يتم تسخين القواطع إلى 1200 درجة. بعد 12 ساعة. بعد التحميل ، يتم فتح المعالجات وتفريغها. يكون الكالسيوم الناتج على شكل أسطوانة مجوفة ذات كتلة كثيفة من البلورات الكبيرة المترسبة على سطح غلاف فولاذي. الشوائب الرئيسية في الكالسيوم هي المغنيسيوم ، والذي يتم تقليله في المقام الأول ويتركز بشكل أساسي في الطبقة المجاورة للبطانة. في المتوسط ​​، محتوى الشوائب هو ؛ 0.5-1٪ Mg ، حوالي 0.2٪ Al ، 0.005-0.02٪ Mn ، حتى 0.02٪ N ، شوائب أخرى - Cu ، Pb ، Zn ، Ni ، Si ، Fe - تحدث في حدود 0.005-0.04٪. استخدم A. Yu. Taits و AI Voinitskiy فرن تفريغ كهربائي شبه مصنع مع سخانات الفحم للحصول على الكالسيوم بطريقة الألمنيوم الحراري وحققت درجة من استخدام الألمنيوم بنسبة 60٪ ، واستهلاك محدد للألمنيوم 0.78 كجم ، واستهلاك محدد للشحنة ، على التوالي 4.35 كجم واستهلاك كهرباء محدد 14 كيلو وات / ساعة لكل 1 كجم من المعدن.

كان المعدن الناتج ، باستثناء شوائب المغنيسيوم ، ذا نقاوة عالية نسبيًا. في المتوسط ​​، كان محتوى الشوائب فيه: 0.003-0.004٪ Fe ، 0.005-0.008٪ Si ، 0.04-0.15٪ Mn ، 0.0025-0.004٪ Cu ، 0.006-0.009٪ N ، 0.25٪ Al.

2.3.2 طريقة الاستعادة الحرارية الكالسيوم

الطريقة الحرارية الحرارية مغرية للغاية ؛ العامل المختزل هو الفيروسيليكون ، الكاشف أرخص بكثير من الألمنيوم. ومع ذلك ، فإن العملية الحرارية السليكونية هي أكثر صعوبة في التنفيذ من عملية الألمنيوم الحرارية. يتم اختزال أكسيد الكالسيوم بواسطة السيليكون وفقًا للمعادلة

CaO + Si = 2CaO SiO2 + 2 كا. (الثامنة عشر)

ضغط بخار التوازن للكالسيوم ، محسوبًا من قيم الطاقة الحرة ، هو:

° С 1300140015001600P ، مم زئبق. st0،080،150،752،05

لذلك ، في فراغ من أجل 0.01 مم زئبق. فن. يكون اختزال أكسيد الكالسيوم ممكنًا ديناميكيًا عند درجة حرارة 1300 درجة. من الناحية العملية ، لضمان سرعة مقبولة ، يجب تنفيذ العملية عند درجة حرارة 1400-1500 درجة.

إن تفاعل اختزال أكسيد الكالسيوم مع السيليكون والألمنيوم يسير إلى حد ما ، حيث يعمل كل من الألومنيوم والسيليكون في السبيكة كعوامل اختزال. لقد ثبت بالتجارب أن الاختزال بالألمنيوم هو السائد في البداية ؛ ويستمر التفاعل مع التكوين النهائي لـ bCaO 3Al 2Oz وفقًا للمخطط الموضح أعلاه (الشكل 1). يصبح تقليل السيليكون مهمًا في درجات الحرارة المرتفعة عندما يتفاعل معظم الألومنيوم ؛ يستمر التفاعل مع تكوين 2CaO SiO 2. باختصار ، يتم التعبير عن تفاعل الاختزال لأكسيد الكالسيوم مع سيليكو الألومنيوم بالمعادلة التالية:

mSi + n Al + (4 م +2 ?) CaO = م (2CaO SiO 2) + ?ن (5СаО Al 2O3 ) + (2 م +1 ، 5 ن) كاليفورنيا.

أثبتت الدراسات التي أجراها A. Yu. Taits و A.I. فوينيتسكي أن أكسيد الكالسيوم يتقلص بنسبة 75٪ فيروسيليكون بإنتاجية معدنية من 50-75٪ عند درجة حرارة 1400-1450 درجة في فراغ 0.01-0.03 ملم زئبق. فن .؛ السليكون والألمنيوم المحتوي على 60-30٪ Si و32-58٪ Al (الباقي عبارة عن حديد ، تيتانيوم ، إلخ) ، يقلل أكسيد الكالسيوم بإنتاجية معدنية تبلغ حوالي 70٪ عند درجات حرارة 1350-1400 ° في فراغ 0.01 -0.05 ملم زئبق ... فن. أثبتت التجارب التي أجريت على نطاق شبه مصنع إمكانية أساسية للحصول على الكالسيوم من الجير مع السيليكون الحديدي والسيليكو الألومنيوم. تتمثل الصعوبة الأساسية في اختيار الرف في ظروف عملية التبطين هذه.

عند حل هذه المشكلة ، يمكن تنفيذ الطريقة في الصناعة. تحلل كربيد الكالسيوم الحصول على الكالسيوم المعدني عن طريق تحلل كربيد الكالسيوم

كربونات الكالسيوم 2 = Ca + 2C

يجب أن يعزى إلى الأساليب الواعدة. في هذه الحالة ، يتم الحصول على الجرافيت كمنتج ثانٍ. Mauderly و E. Moser و V. Treadwell ، بعد حساب الطاقة الحرة لتكوين كربيد الكالسيوم من البيانات الحرارية الكيميائية ، حصلوا على التعبير التالي لضغط بخار الكالسيوم على كربيد الكالسيوم النقي:

كاليفورنيا = 1.35 - 4505 \ T (1124 - 1712 درجة كلفن) ،

lgp كاليفورنيا = 6.62 - 13523 \ ت (1712-2000 درجة كلفن).

على ما يبدو ، يتحلل كربيد الكالسيوم التجاري عند درجات حرارة أعلى بكثير مما ينتج عن هذه التعبيرات. أبلغ المؤلفون أنفسهم عن التحلل الحراري لكربيد الكالسيوم في كتل مدمجة عند 1600-1800 درجة في فراغ 1 مم زئبق. فن. كان إنتاج الجرافيت 94٪ ، وتم الحصول على الكالسيوم على شكل رواسب كثيفة على الثلاجة. A. S. Mikulinsky ، F. S. Morii ، R. Sh. Shklyar لتحديد خصائص الجرافيت المتحصل عليها عن طريق تحلل كربيد الكالسيوم ، تم تسخين الأخير في فراغ 0.3-1 مم زئبق. فن. عند درجة حرارة 1630-1750 درجة. يختلف الجرافيت الناتج عن الجرافيت أتشيسون في الحبوب الأكبر ، والتوصيل الكهربائي العالي ، والكثافة الظاهرية المنخفضة.

3. الجزء العملي

كان السكب اليومي للمغنيسيوم من المحلل الكهربائي بقوة تيار 100 كيلو أمبير 960 كجم عندما تم تغذية الحمام بكلوريد المغنيسيوم. الجهد عند نكتة المحلل الكهربائي هو 0.6 فولت.

)الإخراج الحالي عند الكاثود ؛

)كمية الكلور التي يتم الحصول عليها يوميًا ، بشرط أن يكون الناتج الحالي عند الأنود مساويًا للناتج الحالي عند ktode ؛

)الحشوة اليومية من MgCl 2في المحلل الكهربائي ، بشرط أن يكون فقدان MgCl 2 تحدث بشكل رئيسي مع الحمأة والأبخرة. كمية الحمأة 0.1 لكل 1 طن من Mg المحتوية على MgCl 2 في التسامي 50٪. كمية التسامي 0.05 طن لكل 1 طن من المغنيسيوم. تركيبة كلوريد المغنيسيوم المصبوبة٪: 92 MgCl2 و 8 كلوريد الصوديوم.

.تحديد الإخراج الحالي عند الكاثود:

م NS = أنا ؟ ك ملغ · ?

?= م NS \ أنا ?ك ملغ = 960.000 \ 100.000 0.454 24 = 0.881 أو 88.1٪

.حدد كمية الكلور المستلم في اليوم:

س = 960000 جم \ 24 جم \ مول = 40000 مول

نترجم إلى الحجم:

س = 126،785.7 م 3

3.أ) ابحث عن MgCl النقي 2لإنتاج 960 كجم ميغاغرام.

س = 95960 \ 24.3 = 3753 كجم = 37.53 طنًا.

ب) الخسائر مع الحمأة. من تكوين المحلل الكهربائي المغنيسيوم ،٪: 20-35 MgO ، 2-5 Mg ، 2-6 Fe ، 2-4 SiO 2، 0.8-2 تيو 2، 0.4-1.0 ج ، 35 مغكل 2 .

كجم - 1000 كجم

م shl = 960 كجم كتلة الحمأة في اليوم.

96 كجم من الحمأة يوميًا: 96 0.35 (MgCl2.4) مع الحمأة).

ج) الخسائر مع التسامي:

كجم - 1000 كجم

كلغ من التسامي: 48 0.5 = 24 كجم MgCl 2 مع التسامي.

في المجموع ، تحتاج إلى ملء Mg:

33.6 + 24 = 3810.6 كجم MgCl2 في اليوم

فهرس

أساسيات علم المعادن III

<#"justify">تعدين Al و Mg. Vetyukov M.M. ، Tsyplokov A.M.

دروس خصوصية

بحاجة الى مساعدة في استكشاف موضوع؟

سيقوم خبراؤنا بتقديم المشورة أو تقديم خدمات التدريس حول الموضوعات التي تهمك.
ارسل طلبمع الإشارة إلى الموضوع الآن للتعرف على إمكانية الحصول على استشارة.

المركبات الطبيعية من الكالسيوم (الطباشير والرخام والحجر الجيري والجبس) ومنتجاتها من أبسط معالجة (الجير) معروفة للناس منذ العصور القديمة. في عام 1808 ، تعرض الكيميائي الإنجليزي همفري ديفي للتحليل الكهربائي للجير المطفأ (هيدروكسيد الكالسيوم) باستخدام كاثود الزئبق وحصل على ملغم الكالسيوم (سبيكة من الكالسيوم مع الزئبق). من هذه السبيكة ، بعد الزئبق المقطر ، حصل ديفي على الكالسيوم النقي.
كما اقترح اسم العنصر الكيميائي الجديد ، من الكلمة اللاتينية "calx" التي تعني اسم الحجر الجيري والطباشير والأحجار اللينة الأخرى.

أن تكون في الطبيعة وتتلقى:

الكالسيوم هو خامس أكثر العناصر وفرة في القشرة الأرضية (أكثر من 3٪) ، ويشكل العديد من الصخور ، وكثير منها يعتمد على كربونات الكالسيوم. بعض هذه الصخور من أصل عضوي (صدفية صخرية) ، مما يدل على الدور المهم للكالسيوم في الحياة البرية. الكالسيوم الطبيعي عبارة عن مزيج من 6 نظائر بأعداد كتلتها من 40 إلى 48 ، مع 40 Ca تمثل 97٪ من الإجمالي. كما تم الحصول على نظائر الكالسيوم الأخرى عن طريق التفاعلات النووية ، على سبيل المثال ، المشعة 45 Ca.
للحصول على مادة الكالسيوم البسيطة ، يتم استخدام التحليل الكهربائي لأملاحها أو الألوموثرمي:
4CaO + 2Al = Ca (AlO 2) 2 + 3Ca

الخصائص الفيزيائية:

معدن رمادي فضي مع شبكة شعرية مكعبة الوجه ، وهي أصعب بكثير من المعادن القلوية. نقطة الانصهار 842 درجة مئوية ، نقطة الغليان 1484 درجة مئوية ، الكثافة 1.55 جم / سم 3. عند الضغط ودرجات الحرارة المرتفعة ، يدخل حوالي 20 كلفن في حالة التوصيل الفائق.

الخواص الكيميائية:

الكالسيوم ليس نشطًا مثل المعادن القلوية ، ولكن يجب تخزينه تحت طبقة من الزيت المعدني أو في براميل معدنية محكمة الإغلاق. بالفعل في درجات الحرارة العادية ، يتفاعل مع الأكسجين والنيتروجين في الهواء ، وكذلك مع بخار الماء. عند تسخينه ، يحترق في الهواء بلهب أحمر برتقالي ، مكونًا أكسيدًا بمزيج من النتريدات. مثل المغنيسيوم ، يستمر الكالسيوم في الاحتراق في جو من ثاني أكسيد الكربون. عند تسخينه ، فإنه يتفاعل مع غيره من المعادن ، مكونًا مركبات ليست واضحة دائمًا في التركيب ، على سبيل المثال:
Ca + 6B = CaB 6 أو Ca + P => Ca 3 P 2 (وكذلك CaP أو CaP 5)
في جميع مركباته ، الكالسيوم له حالة أكسدة +2.

أهم الروابط:

أكسيد الكالسيوم CaO- ("الجير الحي") مادة بيضاء ، أكسيد قلوي ، تتفاعل بقوة مع الماء ("مخمد") ، وتتحول إلى هيدروكسيد. يستقبل بالتحلل الحراري لكربونات الكالسيوم.

هيدروكسيد الكالسيوم Ca (OH) 2- ("الجير المطفأ") مسحوق أبيض ، قليل الذوبان في الماء (0.16 جم / 100 جم) ، قلوي قوي. يستخدم محلول ("ماء الجير") للكشف عن ثاني أكسيد الكربون.

كربونات الكالسيوم CaCO3- أساس معظم المعادن الطبيعية للكالسيوم (الطباشير ، الرخام ، الحجر الجيري ، الصدف الصخري ، الكالسيت ، الصاري الأيسلندي). مادة بيضاء نقية أو عديمة اللون. بلورات ، عند تسخينها (900-1000 درجة مئوية) تتحلل مكونة أكسيد الكالسيوم. ليس p-rim ، يتفاعل مع الأحماض ، قادر على الذوبان في الماء المشبع بثاني أكسيد الكربون ، ويتحول إلى بيكربونات: CaCO 3 + CO 2 + H 2 O = Ca (HCO 3) 2. تؤدي العملية العكسية إلى ظهور رواسب كربونات الكالسيوم ، ولا سيما التكوينات مثل الهوابط والصواعد
كما يوجد بشكل طبيعي في الدولوميت CaCO 3 * MgCO 3

كبريتات الكالسيوم CaSO4- مادة بيضاء ، في الطبيعة CaSO 4 * 2H 2 O ("جبس" ، "سيلينيت"). الأخير ، عند التسخين الدقيق (180 درجة مئوية) ، يتحول إلى CaSO 4 * 0.5H 2 O ("جبس محترق" ، "مرمر") - مسحوق أبيض ، عند مزجه بالماء مرة أخرى يشكل CaSO 4 * 2H 2 O في الشكل من مادة صلبة وقوية بدرجة كافية. قابل للذوبان في الماء قليلاً ، إذا زاد حامض الكبريتيك ، فهو قادر على الذوبان ، مكونًا هيدرو كبريتات.

فوسفات الكالسيوم Ca 3 (PO4) 2- ("فوسفوريت") ، غير قابل للذوبان ، تحت تأثير الأحماض القوية ينتقل إلى هيدروجين وفوسفات ثنائي الهيدروجين أكثر قابلية للذوبان. مواد أولية لإنتاج الفوسفور وحمض الفوسفوريك والأسمدة الفوسفورية. يتم أيضًا تضمين فوسفات الكالسيوم في الأباتيت ، وهي مركبات طبيعية لها الصيغة التقريبية Ca 5 3 Y ، حيث Y = F أو Cl أو OH ، على التوالي فلورو- أو كلورو- أو هيدروكسيباتيت. إلى جانب الفوسفوريت ، يعد الأباتيت جزءًا من الهيكل العظمي للعديد من الكائنات الحية ، بما في ذلك. وشخص.

فلوريد الكالسيوم CaF 2 - (طبيعي >> صفة .:"فلوريت" ، "فلورسبار") ، مادة بيضاء غير قابلة للذوبان. المعادن الطبيعية لديها مجموعة متنوعة من الألوان بسبب الشوائب. يضيء في الظلام عند تسخينه وتحت إشعاع الأشعة فوق البنفسجية. يزيد من سيولة ("انصهار") الخبث عند استقبال المعادن ، وذلك بسبب استخدامه كتدفق.

كلوريد الكالسيوم CaCl 2- عديم اللون. كريست. في بئر r-rim في الماء. تشكل هيدرات بلورية CaCl 2 * 6H 2 O. كلوريد الكالسيوم اللامائي ("منصهر") يعتبر مادة مجففة جيدة.

نترات الكالسيوم Ca (NO 3) 2- ("نترات الكالسيوم") عديم اللون. كريست. في بئر r-rim في الماء. جزء لا يتجزأ من تركيبات الألعاب النارية ، والذي يعطي اللهب اللون الأحمر البرتقالي.

كربيد الكالسيوم CaС 2- يتفاعل مع الماء ، ويشكل الأسيتيلين إلى التامي ، على سبيل المثال: CaC 2 + H 2 O = C 2 H 2 + Ca (OH) 2

تطبيق:

يستخدم الكالسيوم المعدني كعامل اختزال قوي في إنتاج بعض المعادن التي يصعب تقليلها ("الحرارة الكلسية"): الكروم ، العناصر الأرضية النادرة ، الثوريوم ، اليورانيوم ، إلخ. في تعدين النحاس والنيكل والفولاذ الخاص والبرونز والكالسيوم و تستخدم سبائكه لإزالة الشوائب الضارة من الكبريت والفوسفور والكربون الزائد.
يستخدم الكالسيوم أيضًا لربط كميات صغيرة من الأكسجين والنيتروجين في فراغ عالي وتنقية الغاز الخامل.
النيوترونات الزائدة 48 أيونات الكالسيوم تستخدم لتخليق عناصر كيميائية جديدة ، على سبيل المثال ، العنصر رقم 114 ،. يستخدم نظير الكالسيوم الآخر ، 45 Ca ، كعلامة مشعة في دراسات الدور البيولوجي للكالسيوم وهجرته في البيئة.

المجال الرئيسي لتطبيق العديد من مركبات الكالسيوم هو إنتاج مواد البناء (الأسمنت ، مخاليط البناء ، الحوائط الجافة ، إلخ).

الكالسيوم هو أحد المغذيات الكبيرة في تكوين الكائنات الحية ، ويشكل المركبات اللازمة لبناء كل من الهيكل العظمي الداخلي للفقاريات ، والعديد من اللافقاريات الخارجية ، قشرة البيض. تشارك أيونات الكالسيوم أيضًا في تنظيم العمليات داخل الخلايا ، مما يتسبب في تخثر الدم. يؤدي نقص الكالسيوم في مرحلة الطفولة إلى الإصابة بالكساح لدى كبار السن - إلى هشاشة العظام. مصدر الكالسيوم هو منتجات الألبان ، والحنطة السوداء ، والمكسرات ، وفيتامين د يساهم في امتصاصه ، وفي حالة نقص الكالسيوم ، يتم استخدام العديد من الأدوية: كالكس ، ومحلول كلوريد الكالسيوم ، وغلوكونات الكالسيوم ، إلخ.
نسبة الكالسيوم في جسم الإنسان هي 1.4-1.7٪ ، والمتطلب اليومي هو 1-1.3 جرام (حسب العمر). يمكن أن يؤدي الإفراط في تناول الكالسيوم إلى فرط كالسيوم الدم - ترسب مركباته في الأعضاء الداخلية ، وتشكيل جلطات دموية في الأوعية الدموية. مصادر:
الكالسيوم (عنصر) // ويكيبيديا. URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/Calcium (تاريخ الوصول: 03/01/2014).
المكتبة الشعبية للعناصر الكيميائية: الكالسيوم. // URL: http://n-t.ru/ri/ps/pb020.htm (3.01.2014).

تعريف

الكالسيوم- العنصر العشرون في الجدول الدوري. التسمية - Ca من اللاتينية "كالسيوم". تقع في الفترة الرابعة ، مجموعة IIA. يشير إلى المعادن. النواة لديها شحنة 20.

الكالسيوم هو أحد أكثر العناصر وفرة في الطبيعة. تحتوي على ما يقرب من 3٪ (كتلة) في قشرة الأرض. يحدث على شكل رواسب عديدة من الحجر الجيري والطباشير ، وكذلك الرخام ، وهي أنواع طبيعية من كربونات الكالسيوم CaCO 3. توجد أيضًا كميات كبيرة من الجبس CaSO 4 × 2H 2 O ، والفوسفوريت Ca 3 (PO 4) 2 ، وأخيرًا العديد من السيليكات المحتوية على الكالسيوم.

في شكل مادة بسيطة ، يكون الكالسيوم معدنًا مرنًا قاسيًا إلى حد ما أبيض (الشكل 1). في الهواء ، يتم تغطيته بسرعة بطبقة من الأكسيد ، وعند تسخينه ، يحترق بلهب أحمر لامع. يتفاعل الكالسيوم مع الماء البارد ببطء نسبيًا ، ولكنه يزيح الهيدروجين بسرعة من الماء الساخن ، مكونًا الهيدروكسيد.

أرز. 1. الكالسيوم. مظهر خارجي.

الوزن الذري والجزيئي للكالسيوم

الوزن الجزيئي النسبي للمادة (M r) هو رقم يوضح عدد المرات التي تزيد فيها كتلة جزيء معين عن 1/12 من كتلة ذرة الكربون ، والكتلة الذرية النسبية للعنصر (Ar) هو عدد المرات التي يكون فيها متوسط ​​كتلة ذرات عنصر كيميائي أكبر من 1/12 من كتلة ذرة كربون.

نظرًا لأن الكالسيوم في الحالة الحرة يوجد في شكل جزيئات Ca أحادية الذرة ، فإن قيم أوزانه الذرية والجزيئية تتطابق. إنها تساوي 40.078.

نظائر الكالسيوم

من المعروف أنه في الطبيعة ، يمكن أن يكون الكالسيوم على شكل أربعة نظائر مستقرة 40 Ca و 42 Ca و 43 Ca و 44 Ca و 46 Ca و 48 Ca ، مع غلبة واضحة للنظير 40 Ca (99.97٪). أعداد كتلتها هي 40 و 42 و 43 و 44 و 46 و 48 على التوالي. تحتوي نواة نظير 40 Ca على عشرين بروتونًا وعشرين نيوترونًا ، وتختلف باقي النظائر عنها فقط في عدد النيوترونات.

هناك نظائر اصطناعية للكالسيوم بأعداد كتلتها من 34 إلى 57 ، وأكثرها استقرارًا هو 41 Ca مع عمر نصف يبلغ 102 ألف سنة.

أيونات الكالسيوم

عند مستوى الطاقة الخارجية لذرة الكالسيوم ، يوجد إلكترونان متكافئان:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2.

نتيجة للتفاعل الكيميائي ، يتخلى الكالسيوم عن إلكترونات التكافؤ ، أي هو المتبرع بهم ، ويتحول إلى أيون موجب الشحنة:

Ca 0 -2e → Ca 2+.

جزيء وذرة الكالسيوم

في الحالة الحرة ، يوجد الكالسيوم في شكل جزيئات Ca أحادية الذرة. فيما يلي بعض الخصائص التي تميز ذرة وجزيء الكالسيوم:

سبائك الكالسيوم

يعمل الكالسيوم كعنصر في صناعة السبائك في بعض سبائك الرصاص.

أمثلة على حل المشكلات

مثال 1