Atomska masa kalcija. Kalcij kao kemijski element, njegova uloga

Kalcij (latinski Calcium, označen simbolom Ca) je element s atomskim brojem 20 i atomskom masom 40,078. To je element glavne podskupine druge skupine, četvrtog razdoblja periodnog sustava kemijskih elemenata Dmitrija Ivanoviča Mendeljejeva. U normalnim uvjetima, jednostavna tvar kalcij je lagan (1,54 g / cm3) kovan, mekan, kemijski aktivan zemnoalkalijski metal srebrno-bijele boje.

U prirodi je kalcij predstavljen kao mješavina šest izotopa: 40Ca (96,97%), 42Ca (0,64%), 43Ca (0,145%), 44Ca (2,06%), 46Ca (0,0033%) i 48Ca (0,185%). Glavni izotop dvadesetog elementa - najčešći - je 40Ca, njegova izotopska zastupljenost je oko 97%. Od šest prirodnih izotopa kalcija, pet je stabilno, šesti izotop 48Ca, najteži od šest i prilično rijedak (njegova izotopska zastupljenost je samo 0,185%), nedavno je otkriveno da prolazi kroz dvostruki β-raspad s vremenom poluraspada od 5,3 ∙ 1019 godina. Umjetno dobiveni izotopi s masenim brojevima 39, 41, 45, 47 i 49 su radioaktivni. Najčešće se koriste kao indikator izotopa u proučavanju procesa mineralnog metabolizma u živom organizmu. 45Ca, dobiven zračenjem metalnog kalcija ili njegovih spojeva neutronima u uranskom reaktoru, igra važnu ulogu u proučavanju metaboličkih procesa koji se odvijaju u tlu i u proučavanju procesa asimilacije kalcija od strane biljaka. Zahvaljujući istom izotopu bilo je moguće otkriti izvore kontaminacije različitih vrsta čelika i ultračistoga željeza spojevima kalcija tijekom procesa taljenja.

Spojevi kalcija - mramor, gips, vapnenac i vapno (proizvod pečenja vapnenca) poznati su od davnina i bili su široko korišteni u građevinarstvu i medicini. Stari Egipćani koristili su spojeve kalcija u izgradnji svojih piramida, a stanovnici velikog Rima izumili su beton – koristeći mješavinu drobljenog kamena, vapna i pijeska. Sve do samog kraja 18. stoljeća kemičari su bili uvjereni da je vapno jednostavno tijelo. Tek 1789. Lavoisier je sugerirao da su vapno, glinica i neki drugi spojevi složene tvari. Godine 1808. H. Davie je elektrolizom dobio metalni kalcij.

Korištenje metalnog kalcija povezano je s njegovom visokom kemijskom aktivnošću. Koristi se za redukciju iz spojeva određenih metala, na primjer, torija, urana, kroma, cirkonija, cezija, rubidija; za uklanjanje kisika i sumpora iz čelika i nekih drugih legura; za dehidraciju organskih tekućina; za apsorpciju zaostalih plinova u vakuumskim uređajima. Osim toga, metalni kalcij služi kao legirajuća komponenta u nekim legurama. Spojevi kalcija imaju mnogo širu primjenu – koriste se u građevinarstvu, pirotehnici, proizvodnji stakla, medicini i mnogim drugim područjima.

Kalcij je jedan od najvažnijih biogenih elemenata, neophodan je većini živih organizama za normalan tijek životnih procesa. Tijelo odrasle osobe sadrži do jedan i pol kilograma kalcija. Prisutan je u svim tkivima i tekućinama živih organizama. Dvadeseti element neophodan je za stvaranje koštanog tkiva, održavanje otkucaja srca, zgrušavanje krvi, održavanje normalne propusnosti vanjskih staničnih membrana i stvaranje niza enzima. Popis funkcija koje kalcij obavlja u organizmima biljaka i životinja vrlo je dugačak. Dovoljno je reći da se samo rijetki organizmi mogu razvijati u okruženju bez kalcija, dok su ostali organizmi 38% sastavljeni od ovog elementa (ljudsko tijelo sadrži samo oko 2% kalcija).

Biološka svojstva

Kalcij je jedan od biogenih elemenata, njegovi spojevi se nalaze u gotovo svim živim organizmima (malo se organizama može razviti u okruženju bez kalcija), osiguravajući normalan tijek životnih procesa. Dvadeseti element prisutan je u svim tkivima i tekućinama životinja i biljaka, većina ga (u kralježnjacima, uključujući ljude) sadržana je u kosturu i zubima u obliku fosfata (na primjer, hidroksiapatit Ca5 (PO4) 3OH ili 3Ca3 ( PO4) 2 Ca (OH) 2). Korištenje dvadesetog elementa kao građevnog materijala za kosti i zube je zbog činjenice da se kalcijevi ioni ne koriste u stanici. Koncentraciju kalcija kontroliraju posebni hormoni, njihovo kombinirano djelovanje čuva i održava strukturu kostiju. Kosturi većine skupina beskralježnjaka (mekušci, koralji, spužve i drugi) izgrađeni su od različitih oblika kalcijevog karbonata CaCO3 (vapno). Mnogi beskralješnjaci pohranjuju kalcij prije linjanja kako bi izgradili novi kostur ili održali život u nepovoljnim uvjetima. Životinje dobivaju kalcij iz hrane i vode, a biljke - iz tla i u odnosu na ovaj element dijele se na kalcefile i kalcefobe.

Ioni ovog važnog mikroelementa sudjeluju u procesima zgrušavanja krvi, kao i u osiguravanju stalnog osmotskog tlaka krvi. Osim toga, kalcij je neophodan za stvaranje niza staničnih struktura, održavanje normalne propusnosti vanjskih staničnih membrana, za oplodnju jajašaca riba i drugih životinja te aktivaciju niza enzima (možda je to posljedica na činjenicu da kalcij zamjenjuje magnezijeve ione). Kalcijevi ioni prenose uzbuđenje na mišićno vlakno, uzrokujući njegovo kontrakciju, povećavaju snagu srčanih kontrakcija, povećavaju fagocitnu funkciju leukocita, aktiviraju sustav zaštitnih proteina krvi, reguliraju egzocitozu, uključujući lučenje hormona i neurotransmitera. Kalcij utječe na propusnost krvnih žila – bez ovog elementa, masti, lipidi i kolesterol bi se taložili na stijenkama krvnih žila. Kalcij potiče izlučivanje soli teških metala i radionuklida iz tijela, obavlja antioksidativne funkcije. Kalcij utječe na reproduktivni sustav, djeluje antistresno i ima antialergijski učinak.

Sadržaj kalcija u tijelu odrasle osobe (težine 70 kg) je 1,7 kg (uglavnom u sastavu međustanične tvari koštanog tkiva). Potreba za ovim elementom ovisi o dobi: za odrasle potrebna dnevna doza je od 800 do 1000 miligrama, za djecu od 600 do 900 miligrama. Za djecu je posebno važno konzumiranje potrebne doze za intenzivan rast i razvoj kostiju. Glavni izvor unosa kalcija u organizam su mlijeko i mliječni proizvodi, ostatak kalcija dolazi iz mesa, ribe, nekih biljnih proizvoda (osobito mahunarki). Apsorpcija kationa kalcija događa se u debelom i tankom crijevu, asimilaciju olakšava kiselo okruženje, vitamini C i D, laktoza (mliječna kiselina), kao i nezasićene masne kiseline. Zauzvrat, aspirin, oksalna kiselina, derivati ​​estrogena značajno smanjuju apsorpciju dvadesetog elementa. Dakle, u kombinaciji s oksalnom kiselinom, kalcij daje spojeve netopive u vodi, koji su sastavni dijelovi bubrežnih kamenaca. Uloga magnezija u metabolizmu kalcija je velika – njegovim nedostatkom kalcij se „ispire“ iz kostiju i taloži u bubrezima (bubrežnim kamencima) i mišićima. Općenito, tijelo ima složen sustav pohranjivanja i oslobađanja dvadesetog elementa, iz tog razloga je sadržaj kalcija u krvi precizno reguliran, a pravilnom prehranom nema manjka ili viška. Dugotrajna prehrana s kalcijem može uzrokovati grčeve, bolove u zglobovima, zatvor, umor, pospanost i usporavanje rasta. Dugotrajan nedostatak kalcija u prehrani dovodi do razvoja osteoporoze. Nikotin, kofein i alkohol neki su od razloga nedostatka kalcija u tijelu, jer doprinose njegovom intenzivnom izlučivanju mokraćom. Međutim, višak dvadesetog elementa (ili vitamina D) dovodi do negativnih posljedica - razvija se hiperkalcemija, čija je posljedica intenzivna kalcifikacija kostiju i tkiva (uglavnom zahvaća mokraćni sustav). Dugotrajni višak kalcija remeti rad mišićnog i živčanog tkiva, povećava zgrušavanje krvi i smanjuje apsorpciju cinka od strane koštanih stanica. Možda pojava osteoartritisa, katarakte, problema s krvnim tlakom. Iz navedenog možemo zaključiti da stanice biljnih i životinjskih organizama trebaju strogo određene omjere kalcijevih iona.

U farmakologiji i medicini spojevi kalcija se koriste za proizvodnju vitamina, tableta, pilula, injekcija, antibiotika, kao i za proizvodnju ampula, medicinskog pribora.

Ispada da je prilično čest uzrok muške neplodnosti nedostatak kalcija u tijelu! Činjenica je da glava spermija ima sagitalnu formaciju, koja se u potpunosti sastoji od kalcija, s dovoljnom količinom ovog elementa, spermij je u stanju prevladati membranu i oploditi jaje, ako nije dovoljno, dolazi do neplodnosti.

Američki znanstvenici otkrili su da nedostatak iona kalcija u krvi dovodi do slabljenja pamćenja i smanjenja inteligencije. Tako se, na primjer, iz poznatog časopisa Science News u Sjedinjenim Državama doznalo za eksperimente koji su potvrdili da mačke razvijaju uvjetni refleks samo ako njihove moždane stanice sadrže više kalcija nego krvi.

Spoj, kalcijev cijanamid, vrlo cijenjen u poljoprivredi, koristi se ne samo kao dušično gnojivo i izvor uree – najvrednijeg gnojiva i sirovine za proizvodnju sintetičkih smola, već i kao tvar s kojom se moglo mehanizirati berbu pamučnih polja. Činjenica je da nakon tretiranja ovim spojem, pamuk odmah odbacuje svoje lišće, što ljudima omogućuje da branje pamuka prepuste strojevima.

Kada se govori o hrani bogatoj kalcijem, uvijek se spominju mliječni proizvodi, ali samo mlijeko sadrži od 120 mg (kravlje) do 170 mg (ovčje) kalcija na 100 g; svježi sir je još siromašniji – svega 80 mg na 100 grama. Od mliječnih proizvoda samo sir sadrži od 730 mg (gauda) do 970 mg (ementalnog) kalcija na 100 g proizvoda. Ipak, mak je rekorder po sadržaju dvadesetog elementa – 100 grama maka sadrži gotovo 1500 mg kalcija!

Kalcijev klorid CaCl2, koji se koristi, na primjer, u rashladnim postrojenjima, otpadni je proizvod mnogih kemijsko-tehnoloških procesa, posebice velike proizvodnje sode. Međutim, unatoč raširenoj uporabi kalcijevog klorida u raznim područjima, njegova je potrošnja znatno inferiornija od proizvodnje. Iz tog razloga, na primjer, u blizini biljaka sode, cijela jezera nastaju iz salamure kalcijevog klorida. Takvi skladišni ribnjaci nisu neuobičajeni.

Da bismo razumjeli koliko se kalcijevih spojeva konzumira, vrijedi navesti samo nekoliko primjera. U proizvodnji čelika vapno se koristi za uklanjanje fosfora, silicija, mangana i sumpora, a u procesu kisik-konvertera troši se 75 kilograma vapna po toni čelika! Drugi primjer iz sasvim drugog područja je prehrambena industrija. U proizvodnji šećera za taloženje kalcijevog saharata, sirovi šećerni sirup reagira s vapnom. Dakle, za šećer od trske obično je potrebno oko 3-5 kg ​​vapna po toni, a za šećer od repe - stotinu puta više, odnosno oko pola tone vapna po toni šećera!

„Tvrdoća“ vode je niz svojstava koja vodi daju kalcijeve i magnezijeve soli otopljene u njoj. Ukočenost se dijeli na privremenu i trajnu. Privremena ili karbonatna tvrdoća uzrokovana je prisutnošću topljivih bikarbonata Ca (HCO3) 2 i Mg (HCO3) 2 u vodi. Vrlo je lako riješiti se karbonatne tvrdoće - kada se voda prokuha, bikarbonati se pretvaraju u kalcijeve i magnezijeve karbonate netopive u vodi, taložeći se. Trajnu tvrdoću stvaraju sulfati i kloridi istih metala, ali je se riješiti mnogo teže. Tvrda voda je strašna ne toliko jer sprječava stvaranje sapunaste pjene i samim time lošije pere rublje, mnogo je strašnije što stvara sloj kamenca u parnim kotlovima i kotlovskim instalacijama, čime se smanjuje njihova učinkovitost i dovodi do hitnih situacija. Zanimljivo je da su još u starom Rimu znali odrediti tvrdoću vode. Kao reagens korišteno je crno vino - njegova bojila stvaraju talog s ionima kalcija i magnezija.

Vrlo je zanimljiv proces pripreme kalcija za skladištenje. Metalni kalcij se dugo skladišti u obliku grudica težine od 0,5 do 60 kg. Ove "svinje" pakiraju se u papirnate vrećice, zatim stavljaju u posude od pocinčanog željeza sa zalemljenim i obojanim šavovima. Čvrsto zatvorene posude stavljaju se u drvene kutije. Komadi težine manje od pola kilograma ne mogu se dugo čuvati – kada se oksidiraju, brzo se pretvaraju u oksid, hidroksid i kalcijev karbonat.

Povijest

Metalni kalcij dobiven je relativno nedavno - 1808. godine, ali čovječanstvo je vrlo dugo upoznato sa spojevima ovog metala. Od davnina su ljudi koristili vapnenac, kredu, mramor, alabaster, gips i druge spojeve koji sadrže kalcij u građevinarstvu i medicini. CaCO3 vapnenac je najvjerojatnije bio prvi građevinski materijal koji su ljudi koristili. Korišten je u izgradnji egipatskih piramida i Kineskog zida. Mnogi hramovi i crkve u Rusiji, kao i većina građevina drevne Moskve, izgrađeni su od vapnenca - bijelog kamena. Još u antičko doba čovjek je, palivši vapnenac, primao živo vapno (CaO), o čemu svjedoče djela Plinija Starijeg (1. st. n. e.) i Dioskorida, liječnika u rimskoj vojsci, kojeg je u svom radu uveo za kalcijev oksid. "O lijekovima" naziv "živo vapno", koji je preživio do našeg vremena. I sve to unatoč činjenici da je čisti kalcijev oksid prvi opisao njemački kemičar I. Tada je tek 1746. i 1755. kemičar J. Black, proučavajući proces pečenja, otkrio da dolazi do gubitka mase vapnenca tijekom pečenja. zbog oslobađanja plina ugljičnog dioksida:

CaCO3 ↔ CO2 + CaO

Egipatski mortovi koji su korišteni u piramidama u Gizi temeljili su se na djelomično dehidriranom gipsu CaSO4 2H2O ili, drugim riječima, alabasteru 2CaSO4 ∙ H2O. On je također osnova sve žbuke u Tutankamonovoj grobnici. Izgorjeli gips (alabaster) Egipćani su koristili kao vezivo u izgradnji objekata za navodnjavanje. Spaljivanjem prirodnog gipsa na visokim temperaturama egipatski su graditelji postigli njegovu djelomičnu dehidraciju, a iz molekule je odcijepljen ne samo voda, već i sumporni anhidrid. Nakon toga, kada se razrijedi s vodom, dobivena je vrlo jaka masa, koja se nije bojala vode i temperaturnih fluktuacija.

Rimljani se s pravom mogu nazvati izumiteljima betona, jer su u svojim zgradama koristili jednu od sorti ovog građevinskog materijala - mješavinu drobljenog kamena, pijeska i vapna. Postoji opis Plinija Starijeg o gradnji spremnika od takvog betona: „Za izgradnju spremnika uzima se pet dijelova čistog šljunčanog pijeska, dva dijela najboljeg gašenog vapna i krhotine Silexa (tvrda lava) težine ne više od pola kilograma. svaki, nakon miješanja zbijaju donju i bočnu površinu udarcima željeznog nabijača". U talijanskoj vlažnoj klimi, beton je bio najotporniji materijal.

Ispada da su čovječanstvu dugo bili poznati spojevi kalcija koje su naširoko koristili. Međutim, sve do kraja 18. stoljeća kemičari su vapno smatrali jednostavnim tijelom, tek uoči novog stoljeća počeli su proučavati prirodu vapna i drugih kalcijevih spojeva. Tako je Stahl sugerirao da je vapno složeno tijelo koje se sastoji od zemljanih i vodenih principa, a Black je ustanovio razliku između kaustičnog vapna i ugljičnog vapna, koje je sadržavalo "fiksni zrak". Antoine Laurent Lavoisier je vapnenu zemlju (CaO) pripisao broju elemenata, odnosno jednostavnim tvarima, iako je 1789. sugerirao da su vapno, magnezij, barit, aluminij i silicij složene tvari, ali će se to moći dokazati samo razgradnjom "tvrdoglave zemlje" (kalcijev oksid). A prvi koji je uspio bio je Humphrey Davy. Nakon uspješne razgradnje kalijevih i natrijevih oksida elektrolizom, kemičar je odlučio na isti način dobiti i zemnoalkalijske metale. Međutim, prvi pokušaji su bili neuspješni – Englez je pokušao razgraditi vapno elektrolizom na zraku i ispod sloja ulja, zatim je kalcinirao vapno s metalnim kalijem u cijevi i napravio mnoge druge pokuse, ali bezuspješno. Konačno je u uređaju sa živinom katodom dobio amalgam elektrolizom vapna, a iz njega metalni kalcij. Ubrzo su ovaj način proizvodnje metala unaprijedili I. Berzelius i M. Pontin.

Novi element je dobio ime po latinskoj riječi "calx" (u genitivu calcis) - vapno, meki kamen. Calx (calx) se zvao kreda, vapnenac, općenito goli kamen, ali najčešće mort na bazi vapna. Ovaj koncept koristili su i antički autori (Vitruvije, Plinije Stariji, Dioskorid), opisujući spaljivanje vapnenca, gašenje vapna i pripremu žbuke. Kasnije je u krugu alkemičara "calx" značio proizvod prženja općenito - posebice metala. Tako su, na primjer, metalni oksidi nazvani metalnim vapnom, a sam proces pečenja nazvan je kalcinacija (calcinatio). U drevnoj ruskoj recepturnoj literaturi nalazi se riječ feces (blato, glina), kao što se u zbirci Trojice-Sergijeve lavre (15. stoljeće) kaže: „skupljaju izmet i od njega stvaraju lonac za zlato. " Tek kasnije je riječ kal, koja se nedvojbeno povezuje s riječju "calx", postala sinonim za riječ gnoj. U ruskoj književnosti početkom 19. stoljeća kalcij se ponekad nazivao osnovom vapnenačke zemlje, vapnenca (Shcheglov, 1830), vapnenca (Job), kalcija, kalcija (Hess).

Biti u prirodi

Kalcij je jedan od najčešćih elemenata na našem planetu - peti po kvantitativnom sadržaju u prirodi (od nemetala više je samo kisika - 49,5% i silicija - 25,3%) i treći među metalima (više je samo aluminija). obični - 7,5% i željezo - 5,08%). Clarke (prosječni sadržaj u zemljinoj kori) kalcija prema različitim procjenama kreće se od 2,96% mase do 3,38%, možemo definitivno reći da je ta brojka oko 3%. U vanjskoj ljusci atoma kalcija nalaze se dva valentna elektrona čija je veza s jezgrom prilično krhka. Iz tog razloga, kalcij je vrlo reaktivan i ne pojavljuje se u slobodnom obliku u prirodi. Međutim, on aktivno migrira i akumulira u različitim geokemijskim sustavima, tvoreći oko 400 minerala: silikate, aluminosilikate, karbonate, fosfate, sulfate, borosilikate, molibdate, kloride i druge, zauzimajući četvrto mjesto u ovom pokazatelju. Tijekom taljenja bazaltnih magmi, kalcij se nakuplja u talini i ulazi u sastav glavnih kamenotvornih minerala, pri čijem se frakcioniranju njegov sadržaj smanjuje tijekom diferencijacije magme od bazičnih do kiselih stijena. Kalcij se najvećim dijelom javlja u donjem dijelu zemljine kore, akumulirajući se u bazičnim stijenama (6,72%); malo je kalcija u zemljinom omotaču (0,7%) i, vjerojatno, još manje u zemljinoj jezgri (u željeznim meteoritima dvadesetog elementa, slično jezgri, samo 0,02%).

Istina, kalcijev klark u kamenim meteoritima iznosi 1,4% (pronađen je rijedak kalcijev sulfid), u srednjim stijenama - 4,65%, kisele stijene sadrže 1,58% kalcija po težini. Glavni dio kalcija sadržan je u silikatima i aluminosilikatima raznih stijena (graniti, gnajsi i dr.), posebno u feldspatu - anortitu Ca, kao i diopsidu CaMg, volastonitu Ca3. U obliku sedimentnih stijena, spojevi kalcija predstavljeni su kredom i vapnencem, koji se uglavnom sastoje od minerala kalcita (CaCO3).

Kalcijev karbonat CaCO3 jedan je od najrasprostranjenijih spojeva na Zemlji – minerali na bazi kalcijevog karbonata pokrivaju oko 40 milijuna četvornih kilometara zemljine površine. Na mnogim dijelovima Zemljine površine nalaze se značajne sedimentne naslage kalcijevog karbonata, koje su nastale od ostataka drevnih morskih organizama – krede, mramora, vapnenca, školjaka – sve je to CaCO3 s manjim nečistoćama, a kalcit je čisti CaCO3 . Najvažniji od tih minerala je vapnenac, točnije – vapnenac – jer se svako ležište razlikuje po gustoći, sastavu i količini nečistoća. Na primjer, školjka je vapnenac organskog podrijetla, a kalcijev karbonat, koji ima manje nečistoća, tvori prozirne kristale vapnenca ili islandskog šparta. Kreda je još jedna uobičajena vrsta kalcijevog karbonata, ali mramor, kristalni oblik kalcita, mnogo je rjeđi u prirodi. Općenito je prihvaćeno da je mramor nastao od vapnenca u drevnim geološkim razdobljima. Tijekom kretanja zemljine kore, pojedinačne naslage vapnenca bile su zatrpane ispod slojeva drugih stijena. Pod utjecajem visokog tlaka i temperature odvijao se proces prekristalizacije, a vapnenac se pretvarao u gušću kristalnu stijenu – mramor. Bizarni stalaktiti i stalagmiti - mineral aragonit, koji je još jedna vrsta kalcijevog karbonata. Ortorombni aragonit nastaje u toplim morima - Bahami, Florida Keys i bazen Crvenog mora formirani su ogromnim slojevima kalcijevog karbonata u obliku aragonita. Prilično su rasprostranjeni i minerali kalcija kao što su fluorit CaF2, dolomit MgCO3 CaCO3, anhidrit CaSO4, fosforit Ca5 (PO4) 3 (OH, CO3) (s raznim nečistoćama) i apatit Ca5 (PO4) 3 (F, Cl, OH) - oblici kalcijevog fosfata, alabastera CaSO4 0,5H2O i gipsa CaSO4 2H2O (oblici kalcijevog sulfata) i dr. U mineralima koji sadrže kalcij postoje elementi nečistoće koji ga izomorfno zamjenjuju (na primjer, natrij, stroncij, rijetke zemlje, radioaktivni i drugi elementi).

Velika količina dvadesetog elementa nalazi se u prirodnim vodama zbog postojanja globalne "karbonatne ravnoteže" između slabo topljivog CaCO3, visoko topljivog Ca (HCO3) 2 i CO2 u vodi i zraku:

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

Ova reakcija je reverzibilna i osnova je za preraspodjelu dvadesetog elementa - s visokim udjelom ugljičnog dioksida u vodama, kalcij je u otopini, a s niskim sadržajem CO2 taloži se mineral kalcit CaCO3, stvarajući snažne naslage vapnenac, kreda, mramor.

Značajna količina kalcija je dio živih organizama, na primjer, hidroksiapatit Ca5 (PO4) 3OH, ili, u drugom zapisu, 3Ca3 (PO4) 2 Ca (OH) 2 - osnova koštanog tkiva kralježnjaka, uključujući ljude. Kalcijev karbonat CaCO3 glavna je komponenta ljuski i ljuski mnogih beskralježnjaka, ljuski jajeta, koralja, pa čak i bisera.

Primjena

Metalni kalcij se rijetko koristi. U osnovi, ovaj metal (kao i njegov hidrid) se koristi u metalotermalnoj proizvodnji teško reducirajućih metala - urana, titanija, torija, cirkonija, cezija, rubidija i niza rijetkih zemnih metala iz njihovih spojeva (oksida ili halogenida) . Kalcij se koristi kao redukcijsko sredstvo u proizvodnji nikla, bakra i nehrđajućeg čelika. Također, dvadeseti element se koristi za deoksidaciju čelika, bronce i drugih legura, za uklanjanje sumpora iz naftnih derivata, za dehidraciju organskih otapala, za pročišćavanje argona od dušičnih nečistoća i kao apsorber plina u električnim vakuumskim uređajima. Metalni kalcij se koristi u proizvodnji antifrikcijskih legura sustava Pb-Na-Ca (koje se koriste u ležajevima), kao i legure Pb-Ca koja se koristi za izradu omotača električnih kabela. Silikokalcijeva legura (Ca-Si-Ca) koristi se kao deoksidator i degazator u proizvodnji visokokvalitetnih čelika. Kalcij se koristi i kao legirajući element za aluminijske legure i kao modificirajući aditiv za legure magnezija. Na primjer, dodatak kalcija povećava čvrstoću aluminijskih ležajeva. Čisti kalcij također se koristi za legiranje olova, koje se koristi za proizvodnju ploča akumulatora, starter olovnih akumulatora s niskim samopražnjenjem bez održavanja. Također, metalni kalcij se koristi za proizvodnju visokokvalitetnih kalcijevih babbita BKA. Uz pomoć kalcija regulira se sadržaj ugljika u lijevanom željezu i uklanja bizmut iz olova, a čelik se pročišćava od kisika, sumpora i fosfora. Kalcij, kao i njegove legure s aluminijem i magnezijem, koriste se u rezervnim toplinskim električnim baterijama kao anoda (na primjer, element kalcijevog kromata).

Međutim, spojevi dvadesetog elementa koriste se mnogo šire. I prije svega, govorimo o prirodnim spojevima kalcija. Jedan od najrasprostranjenijih spojeva kalcija na Zemlji je CaCO3 karbonat. Čisti kalcijev karbonat je mineral kalcita, a vapnenac, kreda, mramor, školjka je CaCO3 s manjim nečistoćama. Mješoviti kalcijev i magnezijev karbonat naziva se dolomit. Vapnenac i dolomit uglavnom se koriste kao građevinski materijali, pločniki ili sredstva za odkiseljavanje. Kalcijev karbonat CaCO3 neophodan je za dobivanje kalcijevog oksida (živo vapno) CaO i kalcijevog hidroksida (gašeno vapno) Ca (OH) 2. Zauzvrat, CaO i Ca (OH) 2 su glavne tvari u mnogim područjima kemijske, metalurške i strojogradnje - kalcijev oksid, kako u slobodnom obliku tako i kao dio keramičkih smjesa, koristi se u proizvodnji vatrostalnih materijala ; kolosalne količine kalcijevog hidroksida potrebne su industriji celuloze i papira. Osim toga, Ca (OH) 2 se koristi u proizvodnji izbjeljivača (dobro sredstvo za izbjeljivanje i dezinfekciju), bertolet soli, sode i nekih pesticida za suzbijanje biljnih štetnika. Ogromna količina vapna se troši u proizvodnji čelika - za uklanjanje sumpora, fosfora, silicija i mangana. Druga uloga vapna u metalurgiji je proizvodnja magnezija. Vapno se također koristi kao mazivo za povlačenje čelične žice i neutralizaciju otpadnih tekućina za kiseljenje koje sadrže sumpornu kiselinu. Osim toga, upravo je vapno najčešći kemijski reagens u tretmanu pitke i industrijske vode (zajedno s stipsom ili solima željeza koagulira suspenzije i uklanja sediment, a također omekšava vodu uklanjanjem privremene - bikarbonatne - tvrdoće). U svakodnevnom životu i medicini istaloženi kalcijev karbonat koristi se kao sredstvo za neutralizaciju kiseline, blagi abraziv u zubnim pastama, izvor dodatnog kalcija u prehrani, sastojak žvakaće gume i punilo u kozmetici. CaCO3 se također koristi kao punilo u gumama, lateksima, bojama i emajlima, kao i u plastici (oko 10% masenog udjela) za poboljšanje njihove toplinske otpornosti, tvrdoće, tvrdoće i obradivosti.

Kalcijev fluorid CaF2 je od posebne važnosti, jer je u obliku minerala (fluorita) jedini industrijski važan izvor fluora! Kalcijev fluorid (fluorit) se koristi u obliku monokristala u optici (astronomski objektivi, leće, prizme) i kao laserski materijal. Činjenica je da su stakla napravljena samo od kalcijevog fluorida propusna za cijeli spektar. Kalcijev volframat (šeelit) u obliku monokristala koristi se u laserskoj tehnologiji, a također i kao scintilator. Ništa manje važan je i kalcijev klorid CaCl2 - sastavni dio slanih otopina za rashladne uređaje i za punjenje guma traktora i drugih vozila. Uz pomoć kalcijevog klorida, ceste i nogostupi se čiste od snijega i leda, ovaj spoj se koristi za zaštitu ugljena i rude od smrzavanja tijekom transporta i skladištenja, drvo se impregnira njegovom otopinom kako bi dobilo otpornost na vatru. CaCl2 se koristi u betonskim smjesama za ubrzavanje početka vezivanja, povećanje početne i konačne čvrstoće betona.

Umjetno dobiveni kalcijev karbid CaC2 (kad se kalcinira u električnim pećima kalcijevog oksida s koksom) koristi se za proizvodnju acetilena i redukciju metala, kao i za proizvodnju kalcijevog cijanamida, koji zauzvrat oslobađa amonijak ispod djelovanje vodene pare. Osim toga, kalcij cijanamid se koristi za proizvodnju uree - najvrednijeg gnojiva i sirovine za proizvodnju sintetičkih smola. Zagrijavanjem kalcija u atmosferi vodika dobiva se CaH2 (kalcijev hidrid) koji se koristi u metalurgiji (metalotermija) i u proizvodnji vodika na terenu (iz 1 kilograma kalcijevog hidrida može se dobiti više od kubičnog metra vodika). ), koji se koristi za punjenje balona, ​​na primjer. U laboratorijskoj praksi kalcijev hidrid se koristi kao energetski redukcijski agens. Insekticid kalcijev arsenat, koji se dobiva neutralizacijom arsenske kiseline s vapnom, naširoko se koristi za suzbijanje pamučnog žižaka, bakalara, duhanskog crva i koloradske zlatice. Važni fungicidi su vapneno-sulfatni aerosoli i bordoške smjese koje se dobivaju iz bakrenog sulfata i kalcijevog hidroksida.

Proizvodnja

Prvi koji je primio metalni kalcij bio je engleski kemičar Humphrey Davy. Godine 1808. elektrolizirao je mješavinu mokrog gašenog vapna Ca (OH) 2 sa živinim oksidom HgO na platinskoj ploči koja je služila kao anoda (platinasta žica uronjena u živu djelovala je kao katoda), čime je Davy dobio kalcijev amalgam uklanjanjem žive iz njega, kemičar je dobio novi metal, koji je nazvao kalcij.

U suvremenoj industriji slobodni metalni kalcij dobiva se elektrolizom rastaljenog kalcijevog klorida CaCl2 čiji je udio 75-85% i kalijevog klorida KCl (moguće je koristiti mješavinu CaCl2 i CaF2) ili alumotermalnom redukcijom kalcijevog oksida CaO na temperaturi od 1.170-1.200 °C. Čisti bezvodni kalcijev klorid potreban za elektrolizu dobiva se kloriranjem kalcijevog oksida zagrijavanjem u prisutnosti ugljena ili dehidracijom CaCl2 ∙ 6H2O dobivenog djelovanjem klorovodične kiseline na vapnenac. Elektrolitički proces se odvija u kupelji za elektrolizu, u koju se stavlja suha sol kalcijevog klorida i kalijev klorid, koji je neophodan za snižavanje tališta smjese, bez nečistoća. Iznad kupke postavljaju se grafitni blokovi - kao katoda djeluje anoda, kupka od lijevanog željeza ili čelika ispunjena legurom bakra i kalcija. U procesu elektrolize, kalcij se pretvara u bakreno-kalcijevu leguru, značajno je obogaćujući, dio obogaćene legure se konstantno ekstrahira, umjesto toga dodaje se legura osiromašena kalcijem (30-35% Ca), a istovremeno se dodaje i klor. tvori smjesu klora i zraka (anodni plinovi), koja nakon toga ulazi u kloriranje vapnenog mlijeka. Obogaćena legura bakra i kalcija može se upotrijebiti izravno kao legura ili poslati na pročišćavanje (destilaciju), pri čemu se destilacijom u vakuumu iz nje dobiva metalni kalcij nuklearne čistoće (na temperaturi od 1.000-1.080 °C i zaostalom tlaku od 13-20 kPa). Da bi se dobio kalcij visoke čistoće, dvaput se destilira. Proces elektrolize se provodi na temperaturi od 680-720 °C. Činjenica je da je to najoptimalnija temperatura za elektrolitski proces – na nižoj temperaturi legura bogata kalcijem ispliva na površinu elektrolita, a na višoj se kalcij otapa u elektrolitu uz stvaranje CaCl. U elektrolizi s tekućim katodama iz legura kalcija i olova ili slitine kalcija i cinka, kalcij s olovom (za ležajeve) i s cinkom koji se koristi u tehnologiji izravno se dobivaju (za dobivanje pjenastog betona - kada legura stupi u interakciju s vlagom, oslobađa se vodik i stvara se porozna struktura). Ponekad se postupak provodi s ohlađenom željeznom katodom, koja dolazi samo u dodir s površinom rastaljenog elektrolita. Kako se kalcij oslobađa, katoda se postupno podiže, iz taline se izvlači šipka (50-60 cm) kalcija, zaštićena od atmosferskog kisika slojem skrutnutog elektrolita. "Metodom dodira" dobiva se kalcij koji je jako kontaminiran kalcijevim kloridom, željezom, aluminijem, natrijem, pročišćavanje se vrši pretapanjem u atmosferi argona.

Još jednu metodu dobivanja kalcija - metalotermalnu - teoretski je potkrijepio još 1865. poznati ruski kemičar N.N. Beketov. Alumotermalna metoda temelji se na reakciji:

6CaO + 2Al → 3CaO Al2O3 + 3Ca

Briketi se prešaju iz mješavine kalcijevog oksida s aluminijem u prahu, stavljaju u retortu od krom-nikl čelika i nastali kalcij se destilira pri 1 170-1 200 °C i zaostalom tlaku od 0,7-2,6 Pa. Kalcij se dobiva u obliku pare, koja se zatim kondenzira na hladnoj površini. Alumotermalna metoda za proizvodnju kalcija koristi se u Kini, Francuskoj i nizu drugih zemalja. U industrijskim razmjerima, metalotermalna metoda za proizvodnju kalcija bila je prva koju su Sjedinjene Države upotrijebile tijekom Drugog svjetskog rata. Na isti način, kalcij se može dobiti redukcijom CaO s ferosilicijem ili aluminijevim silikonom. Kalcij se proizvodi u obliku ingota ili listova čistoće 98-99%.

Obje metode imaju prednosti i nedostatke. Elektrolitička metoda je višeoperativna, energetski intenzivna (za 1 kg kalcija troši se 40-50 kWh), štoviše, nije ekološki sigurna i zahtijeva veliku količinu reagensa i materijala. No, prinos kalcija ovom metodom iznosi 70-80%, dok je kod alumotermalne metode prinos samo 50-60%. Osim toga, kod metalotermalne metode dobivanja kalcija minus je što je potrebno ponovno destilirati, a plus je u maloj potrošnji energije, te u nedostatku štetnih emisija plinova i tekućina.

Ne tako davno razvijena je nova metoda dobivanja metalnog kalcija - temelji se na toplinskoj disocijaciji kalcijevog karbida: karbid zagrijan u vakuumu do 1750 ° C razgrađuje se s stvaranjem kalcijeve pare i čvrstog grafita.

Do sredine 20. stoljeća metalni kalcij se proizvodio u vrlo malim količinama, jer se gotovo nikada nije koristio. Primjerice, u Sjedinjenim Američkim Državama tijekom Drugog svjetskog rata nije potrošeno više od 25 tona kalcija, a u Njemačkoj samo 5-10 tona. Tek u drugoj polovici XX. stoljeća, kada je postalo jasno da je kalcij aktivni reduktor mnogih rijetkih i vatrostalnih metala, počeo je nagli rast potrošnje (oko 100 tona godišnje) i kao rezultat toga proizvodnja ovaj metal. S razvojem nuklearne industrije, gdje se kalcij koristi kao komponenta metalotermalne redukcije urana iz uran-tetrafluorida (osim u SAD-u, gdje se umjesto kalcija koristi magnezij), potražnja (oko 2.000 tona godišnje) za brojem elemenata dvadeset, kao i njegova proizvodnja, višestruko se povećala. U ovom trenutku, Kina, Rusija, Kanada i Francuska mogu se smatrati glavnim proizvođačima metalnog kalcija. Iz ovih zemalja kalcij se šalje u SAD, Meksiko, Australiju, Švicarsku, Japan, Njemačku, Veliku Britaniju. Cijene metala kalcija stalno su rasle sve dok Kina nije počela proizvoditi metal u takvim količinama da se na svjetskom tržištu pojavio višak elementa dvadesetog, što je dovelo do oštrog pada cijena.

Fizička svojstva

Što je metalni kalcij? Koja svojstva posjeduje ovaj element koji je 1808. godine dobio engleski kemičar Humphrey Davy, metal čija masa u tijelu odrasle osobe može biti i do 2 kilograma?

Jednostavna tvar kalcij je srebrnobijeli lagani metal. Gustoća kalcija je samo 1,54 g / cm3 (na temperaturi od 20 ° C), što je mnogo manje od gustoće željeza (7,87 g / cm3), olova (11,34 g / cm3), zlata (19,3 g / cm3). ) ili platine (21,5 g / cm3). Kalcij je čak lakši od takvih "betežinski" metala kao što su aluminij (2,70 g / cm3) ili magnezij (1,74 g / cm3). Malo se metala može "pohvaliti" gustoćom nižom od gustoće dvadesetog elementa - natrij (0,97 g / cm3), kalij (0,86 g / cm3), litij (0,53 g / cm3). Po gustoći, kalcij je vrlo sličan rubidiju (1,53 g/cm3). Talište kalcija je 851 ° C, vrelište je 1.480 ° C. Slične točke taljenja (iako nešto niže) i vrelišta za druge zemnoalkalijske metale - stroncij (770 ° C i 1.380 ° C) i barij (710 ° C i 1.640 ° C).

Metalni kalcij postoji u dvije alotropske modifikacije: pri normalnim temperaturama do 443 °C, α-kalcij s kubičnom rešetkom usmjerenom na lice kao što je bakar je stabilan, s parametrima: a = 0,558 nm, z = 4, prostorna grupa Fm3m, atomski polumjer 1,97 A, ionski polumjer Ca2 + 1,04 A; u temperaturnom rasponu 443-842 °C β-kalcij je stabilan s kubičnom tjelesno centriranom rešetkom tipa α-željeza, s parametrima a = 0,448 nm, z = 2, prostorna grupa Im3m. Standardna entalpija prijelaza iz α-modifikacije u β-modifikaciju je 0,93 kJ/mol. Temperaturni koeficijent linearne ekspanzije za kalcij u temperaturnom području 0-300 ° C je 22 10-6. Toplinska vodljivost dvadesetog elementa na 20 °C je 125,6 W / (m K) ili 0,3 cal / (cm sec ° C). Specifična toplina kalcija u rasponu od 0 do 100 °C je 623,9 J / (kg K) ili 0,149 cal / (g °C). Specifični električni otpor kalcija pri temperaturi od 20 °C je 4,6 10-8 ohm m ili 4,6 10-6 ohm cm; temperaturni koeficijent električnog otpora elementa broj dvadeset 4,57 10-3 (na 20 ° C). Modul elastičnosti kalcija 26 Gn / m2 ili 2600 kgf / mm2; vlačna čvrstoća 60 Mn / m2 (6 kgf / mm2); granica elastičnosti za kalcij je 4 MN / m2 ili 0,4 kgf / mm2, granica popuštanja je 38 MN / m2 (3,8 kgf / mm2); relativno produljenje dvadesetog elementa 50%; Tvrdoća kalcija po Brinellu 200-300 Mn / m2 ili 20-30 kgf / mm2. Postupnim povećanjem tlaka, kalcij počinje pokazivati ​​svojstva poluvodiča, ali ne postaje u punom smislu riječi (u ovom slučaju više nije ni metal). Daljnjim povećanjem tlaka, kalcij se vraća u metalno stanje i počinje pokazivati ​​supravodljiva svojstva (supravodljiva temperatura je šest puta viša od one kod žive, a vodljivost je mnogo veća od svih ostalih elemenata). Jedinstveno ponašanje kalcija na mnogo je načina slično stronciju (odnosno, paralele u periodnom sustavu su očuvane).

Mehanička svojstva elementarnog kalcija ne razlikuju se od svojstava ostalih članova obitelji metala, koji su izvrsni strukturni materijali: metalni kalcij visoke čistoće je plastičan, dobro prešan i valjan, uvučen u žicu, kovan i strojno obrađen - može biti okrenut na tokarskom stroju. No, unatoč svim tim izvrsnim kvalitetama konstrukcijskog materijala, kalcij nije takav - razlog svemu je njegova visoka kemijska aktivnost. Istina, ne treba zaboraviti da je kalcij nezamjenjiv strukturni materijal koštanog tkiva, a njegovi minerali su gradivni materijal već tisućljeća.

Kemijska svojstva

Konfiguracija vanjske elektronske ljuske atoma kalcija je 4s2, što određuje valenciju dvadesetog elementa u spojevima. Dva elektrona vanjskog sloja relativno se lako odcjepljuju od atoma, koji se u ovom slučaju pretvaraju u pozitivne, dvostruko nabijene ione. Iz tog razloga, u smislu kemijske aktivnosti, kalcij je tek neznatno inferiorniji od alkalnih metala (kalij, natrij, litij). Poput potonjeg, kalcij, čak i pri običnoj sobnoj temperaturi, lako stupa u interakciju s kisikom, ugljičnim dioksidom i vlažnim zrakom, prekrivajući se mutnim sivim filmom mješavine CaO oksida i Ca (OH) 2 hidroksida. Stoga se kalcij pohranjuje u hermetički zatvorenoj posudi ispod sloja mineralnog ulja, tekućeg parafina ili kerozina. Kada se zagrijava u kisiku i na zraku, kalcij se zapali, gori svijetlim crvenim plamenom, tvoreći osnovni oksid CaO, koji je bijela, vrlo otporna na vatru tvar s talištem od oko 2600 °C. Kalcijev oksid je također poznat u struci kao živo vapno ili spaljeno vapno. Također se dobivaju kalcijevi peroksidi - CaO2 i CaO4. Kalcij reagira s vodom oslobađanjem vodika (u nizu standardnih potencijala kalcij se nalazi lijevo od vodika i može ga istisnuti iz vode) i stvaranjem kalcijevog hidroksida Ca (OH) 2, a u hladnoj vodi brzina reakcije postupno se smanjuje (zbog stvaranja sloja slabo topljivog kalcijevog hidroksida):

Ca + 2H2O → Ca (OH) 2 + H2 + Q

Kalcij snažnije reagira s vrućom vodom, nasilno istiskujući vodik i stvarajući Ca (OH) 2. Kalcijev hidroksid Ca (OH) 2 je jaka baza, slabo topiv u vodi. Zasićena otopina kalcijevog hidroksida naziva se vapnena voda i alkalna je. Na zraku vapnena voda brzo postaje mutna zbog apsorpcije ugljičnog dioksida i stvaranja netopivog kalcijevog karbonata. Unatoč takvim nasilnim procesima koji se događaju tijekom interakcije dvadesetog elementa s vodom, ipak, za razliku od alkalnih metala, reakcija interakcije kalcija s vodom teče manje snažno - bez eksplozija i paljenja. Općenito, reaktivnost kalcija je niža od reaktivnosti drugih zemnoalkalijskih metala.

Kalcij se aktivno spaja s halogenima, stvarajući tako spojeve tipa CaX2 - na hladnom reagira s fluorom, a na temperaturama iznad 400 °C s klorom i bromom, dajući CaF2, CaCl2 i CaBr2. Ovi halogenidi u rastaljenom stanju nastaju s kalcijevim monohalidima tipa CaX - CaF, CaCl, u kojima je kalcij formalno monovalentan. Ovi spojevi su stabilni samo iznad temperatura taljenja dihalida (oni postaju nesrazmjerni hlađenjem s stvaranjem Ca i CaX2). Osim toga, kalcij aktivno djeluje, posebno kada se zagrijava, s raznim nemetalima: kada se zagrijava, kalcijev sulfid CaS se dobiva sa sumporom, potonji dodaje sumpor, tvoreći polisulfide (CaS2, CaS4 i drugi); u interakciji sa suhim vodikom na temperaturi od 300-400 ° C, kalcij tvori hidrid CaH2 - ionski spoj u kojem je vodik anion. Kalcijev hidrid CaH2 je bijela tvar nalik soli koja burno reagira s vodom i oslobađa vodik:

CaH2 + 2H2O → Ca (OH) 2 + 2H2

Kada se zagrijava (oko 500 °C) u atmosferi dušika, kalcij se pali i stvara nitrid Ca3N2, poznat u dva kristalna oblika - visokotemperaturnom α i niskotemperaturnom β. Također, nitrid Ca3N4 dobiven je zagrijavanjem kalcijevog amida Ca (NH2) 2 u vakuumu. Kada se zagrijava bez pristupa zraku s grafitom (ugljikom), silicijem ili fosforom, kalcij daje kalcijev karbid CaC2, silicide Ca2Si, Ca3Si4, CaSi, CaSi2 i fosfide Ca3P2, CaP i CaP3. Većina spojeva kalcija s nemetalima lako se razgrađuje vodom:

CaH2 + 2H2O → Ca (OH) 2 + 2H2

Ca3N2 + 6N2O → 3Sa (ON) 2 + 2NH3

S borom, kalcij tvori kalcijev borid CaB6, s halkogenima - halkogenide CaS, CaSe, CaTe. Također poznati polihalkogenidi CaS4, CaS5, Ca2Te3. Kalcij tvori intermetalne spojeve s raznim metalima – aluminijem, zlatom, srebrom, bakrom, olovom i drugima. Budući da je energetski redukcijski agens, kalcij zagrijavanjem istiskuje gotovo sve metale iz njihovih oksida, sulfida i halogenida. Kalcij se dobro otapa u tekućem amonijaku NH3 uz stvaranje plave otopine, pri čijem se isparavanju oslobađa amonijat [Ca (NH3) 6] - čvrsti zlatni spoj metalne vodljivosti. Kalcijeve soli se obično dobivaju interakcijom kiselih oksida s kalcijevim oksidom, djelovanjem kiselina na Ca (OH) 2 ili CaCO3, reakcijama izmjene u vodenim otopinama elektrolita. Mnoge kalcijeve soli su lako topljive u vodi (klorid CaCl2, bromid CaBr2, jodid CaI2 i nitrat Ca (NO3) 2), gotovo uvijek tvore kristalne hidrate. Fluorid CaF2, karbonat CaCO3, sulfat CaSO4, ortofosfat Ca3 (PO4) 2, oksalat CaC2O4 i neki drugi su netopivi u vodi.

Kalcij

KALCIJ-Ja sam; m.[od lat. calx (calcis) - vapno] Kemijski element (Ca), srebrno-bijeli metal koji je dio vapnenca, mramora itd.

◁ Kalcij, th, th. K-te soli.

(lat. Kalcij), kemijski element II skupine periodnog sustava, odnosi se na zemnoalkalijske metale. Naziv od lat. calx, genitiv calcis je vapno. Srebrno-bijeli metal, gustoća 1,54 g / cm 3, t pl 842ºC. Lako oksidira na zraku pri normalnim temperaturama. Po rasprostranjenosti u zemljinoj kori zauzima 5. mjesto (minerali kalcit, gips, fluorit itd.). Kao aktivno redukcijsko sredstvo, koristi se za dobivanje U, Th, V, Cr, Zn, Be i drugih metala iz njihovih spojeva, za deoksidaciju čelika, bronce itd. Dio je antifrikcijskih materijala. Spojevi kalcija se koriste u građevinarstvu (vapno, cement), pripravci kalcija se koriste u medicini.

KALCIJ (latinski Calcium), Ca (čitaj "kalcij"), kemijski element s atomskim brojem 20, nalazi se u četvrtom razdoblju u skupini IIA Mendeljejevljevog periodnog sustava elemenata; atomska masa 40.08. Odnosi se na broj zemnoalkalijskih elemenata (cm. ZEMNOALKALNI METALI).
Prirodni kalcij sastoji se od mješavine nuklida (cm. NUKLID) s masenim brojevima 40 (u smjesi težinski 96,94%), 44 (2,09%), 42 (0,667%), 48 (0,187%), 43 (0,135%) i 46 (0,003%). Konfiguracija vanjskog elektronskog sloja 4 s 2 ... U gotovo svim spojevima oksidacijsko stanje kalcija je +2 (valencija II).
Radijus neutralnog atoma kalcija je 0,1974 nm, polumjer iona Ca 2+ je od 0,114 nm (za koordinacijski broj 6) do 0,148 nm (za koordinacijski broj 12). Sekvencijalne energije ionizacije neutralnog atoma kalcija su 6,133, 11,872, 50,91, 67,27 i 84,5 eV, redom. Na Paulingovoj ljestvici, elektronegativnost kalcija je oko 1,0. Slobodni kalcij je srebrno bijeli metal.
Povijest otkrića
Spojevi kalcija nalaze se posvuda u prirodi, pa ih čovječanstvo poznaje od davnina. Vapno se dugo koristi u građevinarstvu (cm. VAPNO)(živo vapno i ugašeno), koji se dugo vremena smatrao jednostavnom tvari, "zemljom". Međutim, 1808. engleski znanstvenik G. Davy (cm. DEVI Humphrey) uspio iz vapna izvući novi metal. Da bi to učinio, Davy je elektrolizirao mješavinu blago navlaženog gašenog vapna sa živinim oksidom i izolirao novi metal iz amalgama nastalog na živinoj katodi, koji je nazvao kalcij (od latinskog calx, genus calcis - vapno). U Rusiji se neko vrijeme ovaj metal zvao "vapno".
Biti u prirodi
Kalcij je jedan od najzastupljenijih elemenata na Zemlji. Na njega otpada 3,38% mase zemljine kore (5. po zastupljenosti nakon kisika, silicija, aluminija i željeza). Zbog svoje visoke kemijske aktivnosti, slobodni kalcij se ne nalazi u prirodi. Najveći dio kalcija sadržan je u silikatima (cm. SILIKATI) i aluminosilikati (cm. ALUMOSILIKATI) razne stijene (graniti (cm. GRANIT), gnajsovi (cm. GNAJS) itd.). U obliku sedimentnih stijena, spojevi kalcija predstavljeni su kredom i vapnencem, koji se uglavnom sastoje od minerala kalcita (cm. KALCIT)(CaCO 3). Kristalni oblik kalcita - mramor - mnogo je rjeđi u prirodi.
Minerali kalcija poput vapnenca su prilično česti. (cm. VAPNENAC) CaCO 3, anhidrit (cm. ANHIDRIT) CaSO 4 i gips (cm. GIPS) CaSO 4 2H 2 O, fluorit (cm. FLUORIT) CaF 2, apatit (cm. APATITI) Ca 5 (PO 4) 3 (F, Cl, OH), dolomit (cm. DOLOMIT) MgCO 3 · SaCO 3. Prisutnost soli kalcija i magnezija u prirodnoj vodi određuje njezinu tvrdoću (cm. TVRDOĆA VODE)... Značajna količina kalcija nalazi se u živim organizmima. Dakle, hidroksilapatit Ca 5 (PO 4) 3 (OH), ili, u drugom zapisu, 3Ca 3 (PO 4) 2 · Ca (OH) 2 - osnova koštanog tkiva kralježnjaka, uključujući ljude; ljuske i ljuske mnogih beskralježnjaka, ljuske jaja itd. sastoje se od kalcijevog karbonata CaCO 3.
Primanje
Metalni kalcij se dobiva elektrolizom taline koja se sastoji od CaCl 2 (75-80%) i KCl ili iz CaCl 2 i CaF 2, kao i aluminotermalnom redukcijom CaO na 1170-1200 °C:
4CaO + 2Al = CaAl 2 O 4 + 3Ca.
Fizička i kemijska svojstva
Metalni kalcij postoji u dvije alotropske modifikacije (vidi Alotropija (cm. ALOTROPIJA)). Do 443 °C, a-Ca s kubičnom rešetkom usmjerenom na lice je stabilan (parametar a = 0,558 nm), viši je b-Ca s kubičnom tjelesno centriranom rešetkom tipa a-Fe (parametar a = 0,448 nm ). Talište kalcija je 839 ° C, vrelište je 1484 ° C, gustoća je 1,55 g / cm 3.
Reaktivnost kalcija je visoka, ali niža od svih ostalih zemnoalkalijskih metala. Lako stupa u interakciju s kisikom, ugljičnim dioksidom i vlagom u zraku, zbog čega je površina metalnog kalcija obično zagasito siva, pa se u laboratoriju kalcij obično skladišti, kao i ostali zemnoalkalijski metali, u dobro zatvorenoj posudi ispod posude. sloj kerozina.
U nizu standardnih potencijala, kalcij se nalazi lijevo od vodika. Standardni elektrodni potencijal para Ca 2+ / Ca 0 je –2,84 V, tako da kalcij aktivno reagira s vodom:
Ca + 2H 2 O = Ca (OH) 2 + H 2.
Kalcij reagira s aktivnim nemetalima (kisik, klor, brom) u normalnim uvjetima:
2Ca + O2 = 2CaO; Ca + Br 2 = CaBr 2.
Kad se zagrijava na zraku ili kisiku, kalcij se zapali. Kalcij stupa u interakciju s manje aktivnim nemetalima (vodik, bor, ugljik, silicij, dušik, fosfor i drugi) kada se zagrijava, na primjer:
Ca + H 2 = CaH 2 (kalcijev hidrid),
Ca + 6B = CaB 6 (kalcijev borid),
3Ca + N 2 = Ca 3 N 2 (kalcijev nitrid)
Ca + 2C = CaC 2 (kalcijev karbid)
3Ca + 2P = Ca 3 P 2 (kalcijev fosfid), poznati su i kalcijevi fosfidi sastava CaP i CaP 5;
2Ca + Si = Ca 2 Si (kalcij silicid), poznati su i kalcijevi silicidi sastava CaSi, Ca 3 Si 4 i CaSi 2.
Tijek gore navedenih reakcija u pravilu je popraćen oslobađanjem velike količine topline (tj. ove reakcije su egzotermne). U svim spojevima s nemetalima oksidacijsko stanje kalcija je +2. Većina spojeva kalcija s nemetalima lako se razgrađuje vodom, na primjer:
CaH 2 + 2H 2 O = Ca (OH) 2 + 2H 2,
Ca 3 N 2 + 3H 2 O = 3Ca (OH) 2 + 2NH 3.
Kalcijev oksid je obično bazičan. U laboratoriju i tehnologiji dobiva se termičkom razgradnjom karbonata:
CaCO 3 = CaO + CO 2.
Tehnički kalcijev oksid CaO naziva se živo vapno.
Reagira s vodom i stvara Ca (OH) 2 i oslobađa veliku količinu topline:
CaO + H 2 O = Ca (OH) 2.
Tako dobiven Ca (OH) 2 obično se naziva gašeno vapno ili vapneno mlijeko. (cm. LIMENO MLIJEKO) zbog činjenice da je topljivost kalcijevog hidroksida u vodi niska (0,02 mol / l na 20 ° C), a kada se doda u vodu, nastaje bijela suspenzija.
Kada je u interakciji s kiselim oksidima, CaO stvara soli, na primjer:
CaO + CO2 = CaCO3; CaO + SO 3 = CaSO 4.
Ca 2+ ion je bezbojan. Kada se u plamen dodaju kalcijeve soli, plamen postaje ciglastocrven.
Kalcijeve soli kao što su klorid CaCl 2, bromid CaBr 2, jodid CaI 2 i nitrat Ca (NO 3) 2 su lako topljive u vodi. Fluorid CaF 2, karbonat CaCO 3, sulfat CaSO 4, prosječni ortofosfat Ca 3 (PO 4) 2, oksalat CaC 2 O 4 i neki drugi su netopivi u vodi.
Od velike važnosti je činjenica da je, za razliku od prosječnog kalcijevog karbonata CaCO 3, kiseli kalcijev karbonat (bikarbonat) Ca (HCO 3) 2 topiv u vodi. U prirodi to dovodi do sljedećih procesa. Kada hladna kišnica ili riječna voda zasićena ugljičnim dioksidom prodre u podzemlje i padne na vapnence, opaža se njihovo otapanje:
CaCO 3 + CO 2 + H 2 O = Ca (HCO 3) 2.
Na istim mjestima gdje voda zasićena kalcijevim bikarbonatom izlazi na površinu zemlje i zagrijava se sunčevim zrakama, događa se suprotna reakcija:
Ca (HCO 3) 2 = CaCO 3 + CO 2 + H 2 O.
Tako se u prirodi prenose velike mase tvari. Kao rezultat toga, pod zemljom mogu nastati ogromne vrtače (vidi Karst (cm. KRŠ (prirodni fenomen))), a u špiljama nastaju lijepe kamene "leđice" - stalaktiti (cm. STALAKTITI (mineralne formacije)) i stalagmiti (cm. STALAGMITI).
Prisutnost otopljenog kalcijevog bikarbonata u vodi uvelike određuje privremenu tvrdoću vode (cm. TVRDOĆA VODE)... Naziva se privremenim jer se pri ključanju vode bikarbonat razgrađuje, a CaCO 3 taloži. Ova pojava dovodi, na primjer, do činjenice da se kamenac tijekom vremena nakuplja u kotliću.
Korištenje kalcija i njegovih spojeva
Metalni kalcij se koristi za metalotermalnu proizvodnju urana (cm. Uran (kemijski element)), torij (cm. TORIJA), titan (cm. TITAN (kemijski element)), cirkonij (cm. CIRKONIJ), cezij (cm. CEZIJ) i rubidij (cm. RUBIDIJ).
Prirodni spojevi kalcija se široko koriste u proizvodnji veziva (cement (cm. CEMENT), žbuka (cm. GIPS), vapno itd.). Vezivni učinak gašenog vapna temelji se na činjenici da s vremenom kalcijev hidroksid reagira s ugljičnim dioksidom u zraku. Kao rezultat tekuće reakcije nastaju iglasti kristali kalcita CaCO 3 koji prerastaju u obližnje kamenje, ciglu i druge građevinske materijale i, takoreći, spajaju ih u jedinstvenu cjelinu. Kristalni kalcijev karbonat - mramor je izvrstan završni materijal. Kreda se koristi za bijeljenje. U proizvodnji lijevanog željeza troše se velike količine vapnenca, jer omogućuju da se vatrostalne nečistoće željezne rude (na primjer, kvarc SiO 2) pretvore u trosku relativno niskog taljenja.
Izbjeljivač je vrlo učinkovit kao dezinficijens. (cm. PRAŠAK ZA BJELJENJE)- "klor" Ca (OCl) Cl - miješani klorid i kalcijev hipoklorit (cm. KALCIJ HIPOKLORIT) s visokim oksidacijskim kapacitetom.
Široko se koristi i kalcijev sulfat, koji postoji i u obliku bezvodnih spojeva i u obliku kristalnih hidrata - tzv. "poluvodenog" sulfata - alabastra (cm. Aleviz Fryazin (Milanac)) CaSO 4 · 0,5H 2 O i dihidrat sulfat - gips CaSO 4 · 2H 2 O. Gips se široko koristi u građevinarstvu, u kiparstvu, za izradu štukatura i raznih umjetničkih proizvoda. Gips se također koristi u medicini za fiksiranje kostiju kod prijeloma.
Kalcijev klorid CaCl 2 koristi se zajedno s kuhinjskom soli za zaštitu od zaleđivanja cesta. Kalcijev fluorid CaF 2 izvrstan je optički materijal.
Kalcij u tijelu
Kalcij je hranjiva tvar (cm. BIOGENI ELEMENTI), stalno prisutan u tkivima biljaka i životinja. Važna komponenta mineralnog metabolizma životinja i ljudi te mineralne prehrane biljaka, kalcij obavlja različite funkcije u tijelu. Kao dio apatita (cm. APATIT), kao i kalcijev sulfat i karbonat, čini mineralnu komponentu koštanog tkiva. Ljudsko tijelo teško 70 kg sadrži oko 1 kg kalcija. Kalcij sudjeluje u radu ionskih kanala (cm. IONSKI KANALI), obavljanje transporta tvari kroz biološke membrane, u prijenosu živčanog impulsa (cm.ŽIVČANI IMPULS), u procesima zgrušavanja krvi (cm. SAKUPLJANJE KRVI) i gnojidba. Reguliraju metabolizam kalcija u tijelu kalciferoli (cm. KALCIFEROLI)(vitamin D). Nedostatak ili višak kalcija dovodi do raznih bolesti – rahitisa (cm. RAHITIS), kalcifikacija (cm. KALCINOZA) i dr. Stoga bi ljudska hrana trebala sadržavati kalcijeve spojeve u potrebnim količinama (800-1500 mg kalcija dnevno). Visok je sadržaj kalcija u mliječnim proizvodima (kao što su svježi sir, sir, mlijeko), nekom povrću i drugim namirnicama. Pripravci kalcija imaju široku primjenu u medicini.

enciklopedijski rječnik. 2009 .

Uvod

Svojstva i upotreba kalcija

1 Fizička svojstva

2 Kemijska svojstva

3 Primjena

Dobivanje kalcija

1 Elektrolitička proizvodnja kalcija i njegovih legura

2 Termički račun

3 Vakuumsko-termalna metoda za dobivanje kalcija

3.1 Aluminotermijska metoda povrata kalcija

3.2. Silikotermalna metoda obnavljanja kalcija

Praktični dio

Bibliografija

Uvod

Kemijski element II skupine Mendeljejevljevog periodnog sustava, atomski broj 20, atomska masa 40,08; srebrnobijeli laki metal. Prirodni element je mješavina šest stabilnih izotopa: 40ca, 42ca, 43ca, 44ca, 46Ca i 48Ca, od kojih je najčešćih 40 Ca (96, 97%).

Ca spojevi - vapnenac, mramor, gips (kao i vapno - proizvod pečenja vapnenca) već su se u građevinarstvu koristili u antičko doba. Sve do kraja 18. stoljeća kemičari su vapno smatrali jednostavnim tijelom. Godine 1789. A. Lavoisier je sugerirao da su vapno, magnezij, barit, aluminij i silicij složene tvari. Godine 1808. G. Davy, podvrgavši ​​smjesu vlažnog gašenog vapna sa živinim oksidom elektrolizi sa živinom katodom, pripremio je amalgam Ca, a nakon što je iz njega uklonio živu, dobio je metal nazvan "Kalcij" (od latinskog calx, rod. calcis - vapno) ...

Sposobnost kalcija da veže kisik i dušik omogućila je njegovu upotrebu za pročišćavanje inertnih plinova i kao getter (Geter je tvar koja se koristi za apsorpciju plinova i stvaranje dubokog vakuuma u elektroničkim uređajima.) U vakuumskoj radio opremi.

Kalcij se također koristi u metalurgiji bakra, nikla, specijalnih čelika i bronce; oni su povezani sa štetnim nečistoćama sumpora, fosfora, viška ugljika. U iste svrhe koriste se legure kalcija sa silicijem, litijem, natrijem, borom i aluminijem.

U industriji se kalcij dobiva na dva načina:

) Zagrijavanje briketirane mješavine CaO i Al praha na 1200 °C u vakuumu od 0,01 - 0,02 mm. rt. čl.; emitira reakcijom:

CaO + 2Al = 3CaO Al2O3 + 3Ca

Kalcijeva para se kondenzira na hladnoj površini.

) Legura Cu - Ca (65% Ca) priprema se elektrolizom taline CaCl2 i KCl s tekućom bakreno-kalcijevom katodom, iz koje se kalcij destilira na temperaturi od 950 - 1000 °C u vakuumu od 0,1 - 0,001 mm Hg.

) Također je razvijena metoda za proizvodnju kalcija toplinskom disocijacijom kalcijevog karbida CaC2.

Kalcija u prirodi ima u izobilju u obliku raznih spojeva. U zemljinoj kori zauzima peto mjesto sa 3,25%, a najčešće se nalazi u obliku vapnenca CaCO 3, dolomit CaCO 3Mg CO 3, gips CaSO 42H 2O, fosforit Ca 3(PO 4)2 i fluorit CaF 2, ne računajući značajan udio kalcija u sastavu silikatnih stijena. Morska voda u prosjeku sadrži 0,04% (mas.) kalcija.

U ovom kolegiju proučavaju se svojstva i upotreba kalcija, te se detaljno razmatra teorija i tehnologija vakuumsko-termalnih metoda za njegovu proizvodnju.

. Svojstva i upotreba kalcija

.1 Fizička svojstva

Kalcij je srebrno-bijeli metal, ali tamni na zraku zbog stvaranja oksida na njegovoj površini. To je duktilni metal koji je tvrđi od olova. Kristalna stanica ?-oblik Ca (stabilan na temperaturi okoline) kubični centrirani, a = 5,56 Å ... Atomski radijus 1,97 Å , ionski radijus Ca 2+, 1,04Å ... Gustoća 1,54 g / cm 3(20 °C). Iznad 464 °C, heksagonalni ?-oblik. tp 851 °C, bp 1482 °C; temperaturni koeficijent linearne ekspanzije 22 10 -6 (0-300 °C); toplinska vodljivost pri 20 ° C 125,6 W / (m · K) ili 0,3 cal / (cm · sec · ° C); specifična toplina (0-100 ° C) 623,9 J / (kg K) ili 0,149 cal / (g ° C); električna otpornost na 20 °C 4,6 10 -8ohm m ili 4,6 10 -6 ohm cm; temperaturni koeficijent električnog otpora 4,57 · 10-3 (20 ° C). Modul elastičnosti 26 Gn / m 2(2600 kgf/mm 2); vlačna čvrstoća 60 MN / m 2(6 kgf/mm 2); granica elastičnosti 4 MN / m 2(0,4 kgf/mm 2), granica popuštanja 38 MN / m 2(3,8 kgf/mm 2); produljenje 50%; Tvrdoća po Brinellu 200-300 Mn / m 2(20-30 kgf/mm 2). Kalcij dovoljno visoke čistoće je duktilan, dobro prešan, valjan i podložan rezanju.

1.2 Kemijska svojstva

Kalcij je aktivni metal. Dakle, u normalnim uvjetima, lako stupa u interakciju s atmosferskim kisikom i halogenima:

Ca + O 2= 2 CaO (kalcijev oksid) (1)

Ca + Br 2= CaBr 2(kalcijev bromid). (2)

Kalcij reagira s vodikom, dušikom, sumporom, fosforom, ugljikom i drugim nemetalima kada se zagrijava:

Ca + H 2= CaH 2(kalcijev hidrid) (3)

Ca + N 2= pribl 3N 2(kalcijev nitrid) (4)

Ca + S = CaS (kalcijev sulfid) (5)

Ca + 2 P = Ca 3R 2(kalcij fosfid) (6)

Ca + 2 C = CaC 2 (kalcijev karbid) (7)

Kalcij sporo reagira s hladnom vodom, a vrlo snažno s vrućom, dajući jaku bazu Ca (OH) 2 :

Ca + 2 H 2O = Ca (OH) 2 + H 2 (8)

Budući da je energetski redukcijski agens, kalcij može ukloniti kisik ili halogene iz oksida i halogenida manje aktivnih metala, tj. ima redukcijska svojstva:

Ca + Nb 2O5 = CaO + 2 Nb; (devet)

Ca + 2 NbCl 5= 5 CaCl2 + 2 Nb (10)

Kalcij snažno reagira s kiselinama s razvijanjem vodika, reagira s halogenima, sa suhim vodikom da nastane CaH hidrid 2... Kada se zagrijava, kalcij s grafitom stvara CaC karbid 2... Kalcij se proizvodi elektrolizom rastaljenog CaCl 2ili aluminotermna redukcija u vakuumu:

6SaO + 2Al = 3Ca + 3CaO Al2 O 3 (11)

Čisti metal se koristi za redukciju spojeva Cs, Rb, Cr, V, Zr, Th, U u metale, za deoksidaciju čelika.

1.3 Primjena

Kalcij nalazi sve veću primjenu u raznim industrijama. U posljednje vrijeme dobiva veliku važnost kao redukcijsko sredstvo u pripremi niza metala.

Čisti metalik. uran se dobiva redukcijom uranovog fluorida metalnim kalcijem. Kalcij ili njegovi hidridi mogu se koristiti za redukciju titanovih oksida, kao i oksida cirkonija, torija, tantala, niobija i drugih rijetkih metala.

Kalcij je dobar deoksidizator i degasator u proizvodnji bakra, nikla, krom-nikl legura, specijalnih čelika, nikalne i kositrene bronce; uklanja sumpor, fosfor, ugljik iz metala i legura.

Kalcij tvori vatrostalne spojeve s bizmutom pa se koristi za pročišćavanje olova od bizmuta.

Kalcij se dodaje raznim lakim legurama. Pomaže poboljšati površinu ingota, finoću i smanjiti oksidaciju.

Rasprostranjene su legure ležajeva koje sadrže kalcij. Za izradu omotača kabela mogu se koristiti legure olova (0,04% Ca).

U tehnici se koriste antifrikcione legure kalcija s olovom. Kalcijevi minerali se široko koriste. Dakle, vapnenac se koristi u proizvodnji vapna, cementa, silikatnih opeka i izravno kao građevinski materijal, u metalurgiji (fluks), u kemijskoj industriji za proizvodnju kalcijevog karbida, sode, natrijevog hidroksida, bjelila, gnojiva, u proizvodnja šećera, stakla.

Od praktične važnosti su kreda, mramor, islandski špart, gips, fluorit itd. Zbog sposobnosti vezanja kisika i dušika, kalcij ili legure kalcija s natrijem i drugim metalima koriste se za pročišćavanje plemenitih plinova i kao getter u vakuumskoj radioopremi. Kalcij se također koristi za proizvodnju hidrida, koji je izvor vodika na terenu.

2. Dobivanje kalcija

Postoji nekoliko načina dobivanja kalcija, a to su elektrolitski, toplinski, vakuumsko-termalni.

.1 Elektrolitička proizvodnja kalcija i njegovih legura

Bit metode leži u činjenici da katoda u početku dodiruje otopljeni elektrolit. Na mjestu dodira nastaje kapljica tekućeg metala koja dobro vlaži katodu, koja se, kada se katoda polagano i jednoliko podiže, zajedno s njom uklanja iz taline i skrućuje. U tom slučaju, kap za skrućivanje prekrivena je čvrstim filmom elektrolita, koji štiti metal od oksidacije i nitriranja. Kontinuiranim i pažljivim podizanjem katode kalcij se uvlači u štapiće.

2.2 Termička priprema

kalcijeva kemijska elektrolitička termalna

· Kloridni proces: tehnologija se sastoji od taljenja i dehidracije kalcijevog klorida, taljenja olova, proizvodnje dvostruke legure olovo-natrij, dobivanja trostruke legure olovo-natrij-kalcij i razrjeđivanja ternarne legure s olovom nakon uklanjanja soli. Reakcija s kalcijevim kloridom odvija se prema jednadžbi

CaCl 2 + Na 2Pb 5 = 2NaCl + PbCa + 2Pb (12)

· Karbidni proces: Proizvodnja legure olova i kalcija temelji se na reakciji između kalcijevog karbida i rastaljenog olova prema jednadžbi

CaC 2+ 3Pb = Pb3 Ca + 2C. (13)

2.3 Vakuumsko-termalna metoda za dobivanje kalcija

Sirovine za vakuumsku termičku metodu

Sirovina za termičku redukciju kalcijevog oksida je vapno dobiveno kalciniranjem vapnenca. Osnovni zahtjevi za sirovine su sljedeći: vapno treba biti što čistije i sadržavati minimum nečistoća koje se zajedno s kalcijem mogu reducirati i pretvoriti u metal, posebice alkalijske metale i magnezij. Kalcinaciju vapnenca treba izvesti prije potpune razgradnje karbonata, ali ne prije njegovog sinteriranja, jer je reducibilnost sinteriranog materijala manja. Pečeni proizvod mora biti zaštićen od apsorpcije vlage i ugljičnog dioksida, čije oslobađanje tijekom oporavka smanjuje učinkovitost procesa. Tehnologija kalciniranja vapnenca i prerade kalciniranog proizvoda slična je obradi dolomita silikotermalnom metodom za proizvodnju magnezija.

.3.1 Aluminotermijska metoda dobivanja kalcija

Dijagram temperaturne ovisnosti promjene slobodne energije oksidacije niza metala (slika 1) pokazuje da je kalcijev oksid jedan od najtrajnijih i teško reduciranih oksida. Drugi metali ga ne mogu reducirati na uobičajen način - na relativno niskoj temperaturi i atmosferskom tlaku. Naprotiv, sam kalcij je izvrsno redukcijsko sredstvo za druge teško reducirajuće spojeve i deoksidacijsko sredstvo za mnoge metale i legure. Redukcija kalcijevog oksida ugljikom općenito je nemoguća zbog stvaranja kalcijevih karbida. Međutim, zbog činjenice da kalcij ima relativno visok tlak pare, njegov se oksid može reducirati u vakuumu s aluminijem, silicijem ili njihovim legurama prema reakciji

CaO + ja? Ca + MeO (14).

Do sada je praktičnu primjenu našla samo aluminotermična metoda dobivanja kalcija, budući da je aluminijem puno lakše obnoviti CaO nego silicijem. Postoje različiti pogledi na kemiju redukcije kalcijevog oksida s aluminijem. L. Pidgeon i I. Atkinson vjeruju da se reakcija nastavlja stvaranjem kalcijevog monoaluminata:

CaO + 2Al = CaO Al 2O3 + 3Ca. (15)

V. A. Pazukhin i A. Ya. Fisher ukazuju da se proces nastavlja stvaranjem trikalcijevog aluminata:

CaO + 2Al = 3CaO Al 20 3+ 3Ca. (16)

Prema A.I.

CaO + 6Al = 5CaO 3Al 2O3 + 9su. (17)

Najnovije istraživanje A. Yu. Taitsa i A. I. Voinitskiyja pokazalo je da se aluminotermna redukcija kalcija odvija postupno. U početku, oslobađanje kalcija je popraćeno stvaranjem 3CaO AI 2O 3, koji zatim reagira s kalcijevim oksidom i aluminijem da nastane 3CaO 3AI 2O 3... Reakcija se odvija na sljedeći način:

CaO + 6Al = 2 (3CaO Al 2O 3) + 2SaO + 2Al + 6Sa

(3SaO Al 2O 3) + 2SaO + 2Al = 5SaO 3Al 20 3+ 3Ca

CaO + 6A1 = 5CaO 3Al 20 3+ 9su

Budući da se redukcija oksida događa oslobađanjem parnog kalcija, a ostali produkti reakcije su u kondenziranom stanju, lako ga je odvojiti i kondenzirati u ohlađenim dijelovima peći. Glavni uvjeti potrebni za vakuumsko-termalnu redukciju kalcijevog oksida su visoka temperatura i nizak preostali tlak u sustavu. Ispod je odnos između temperature i ravnotežnog tlaka pare kalcija. Izražava se slobodna energija reakcije (17) izračunata za temperature od 1124-1728 °K

F T = 184820 + 6,95T-12,1 T log T.

Dakle, logaritamska ovisnost ravnotežnog tlaka pare kalcija (mm Hg)

Lg p = 3,59 - 4430 \ T.

L. Pidgeon i I. Atkinson eksperimentalno su odredili ravnotežni tlak pare kalcija. Detaljnu termodinamičku analizu redukcije kalcijevog oksida aluminijem proveo je I.I.Matveenko, koji je dao sljedeće temperaturne ovisnosti ravnotežnog tlaka kalcijeve pare:

Lg str Ca (1) = 8,64 - 12930 \ T mm Hg

Lg str Ca (2) = 8,62 - 11780 \ T mm Hg

Lg str Ca (3 )= 8,75 - 12500 \ T mm Hg

Proračunski i eksperimentalni podaci uspoređeni su u tablici. 1.

Tablica 1- Utjecaj temperature na promjenu ravnotežnog tlaka kalcijeve pare u sustavima (1), (2), (3), (3), mm Hg

Temperatura °C Podaci o ispitivanju Izračunati u sustavima (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

Iz prikazanih podataka može se vidjeti da su interakcije u sustavima (2) i (3) ili (3") u najpovoljnijim uvjetima. To je u skladu s zapažanjima, budući da u ostacima naboja prevladavaju pentakalcij tri-aluminat i trikalcijev aluminat. nakon redukcije kalcijevog oksida aluminijem.

Podaci o ravnotežnoj elastičnosti pokazuju da je redukcija kalcijevog oksida aluminijem moguća pri temperaturi od 1100-1150 ° C. Da bi se postigla praktički prihvatljiva brzina reakcije, preostali tlak u sustavu rasta mora biti ispod ravnotežnog tlaka P jednak , tj. nejednakost P jednak > P ost , a proces treba provoditi na temperaturama reda veličine 1200°. Istraživanja su utvrdila da se pri temperaturi od 1200-1250° postiže visoka iskorištenost (do 70-75%) i niska specifična potrošnja aluminija (oko 0,6-0,65 kg po kg kalcija).

Prema gornjoj interpretaciji kemije procesa, optimalan sastav je naboj izračunat za stvaranje 5SaO 3Al u ostatku 2O 3... Da bi se povećao stupanj korištenja aluminija, korisno je dati nešto viška kalcijevog oksida, ali ne prevelik (10-20%), inače će negativno utjecati na druge pokazatelje procesa. S povećanjem stupnja mljevenja aluminija s čestica 0,8-0,2 mm na minus 0,07 mm (prema V. A. Pazukhinu i A. Ya. Fisheru), upotreba aluminija u reakciji raste sa 63,7 na 78%.

Na korištenje aluminija također utječe način briketiranja punjenja. Mješavina vapna i aluminija u prahu treba briketirati bez veziva (kako bi se izbjeglo razvijanje plina u vakuumu) pod tlakom od 150 kg/cm 2... Pri nižim tlakovima smanjuje se upotreba aluminija zbog segregacije rastaljenog aluminija u pretjerano poroznim briketima, a pri višim tlakovima zbog slabe propusnosti plina. Potpunost i brzina oporavka također ovise o gustoći briketa u retorti. Prilikom polaganja bez praznina, kada je plinopropusnost cijelog kaveza niska, upotreba aluminija je značajno smanjena.

Slika 2 - Shema dobivanja kalcija vakuumsko-termalnom metodom.

Tehnologija termičkog procesa aluminija

Tehnološka shema za proizvodnju kalcija aluminotermalnom metodom prikazana je na Sl. 2. Kao sirovina koristi se vapnenac, a kao redukcijsko sredstvo se koristi aluminijski prah pripremljen od primarnog (boljeg) ili sekundarnog aluminija. Aluminij koji se koristi kao redukcijsko sredstvo, kao i sirovina, ne smije sadržavati nečistoće lako hlapljivih metala: magnezij, cink, lužine itd., koje mogu ispariti i pretvoriti se u kondenzat. To se mora uzeti u obzir pri odabiru razreda sekundarnog aluminija.

Prema opisu S. Loomisa i P. Stauba, u SAD-u u tvornici New England Lime Co. u Canaanu (Connecticut), kalcij se dobiva aluminotermnom metodom. Koristi se vapno sljedećeg tipičnog sastava, %: 97,5 CaO, 0,65 MgO, 0,7 SiO 20,6 Fe 2Oz + AlO3, 0,09 Na 2O + K 2Oh, 0,5 je ostalo. Pečeni proizvod se melje u Raymond mlinu sa centrifugalnim separatorom, finoća mljevenja je (60%) minus 200 mesh. Kao redukcijsko sredstvo koristi se aluminijska prašina, koja je otpad u proizvodnji aluminijskog praha. Spaljeno vapno iz zatvorenih spremnika i aluminij iz bubnjeva dovode se u vagu za doziranje, a zatim u mješalicu. Nakon miješanja šarža se suho briketira. U spomenutom pogonu kalcij se reducira u retortnim pećima, koje su se ranije koristile za dobivanje magnezija silikotermalnom metodom (slika 3.). Peći se zagrijavaju generatorskim plinom. Svaka peć ima 20 horizontalnih retorta izrađenih od vatrostalnog čelika koji sadrži 28% Cr i 15% Ni.

Slika 3- Retortna pećnica za proizvodnju kalcija

Dužina retorte 3 m, promjer 254 mm, debljina stijenke 28 mm. Oporavak se odvija u zagrijanom dijelu retorte i dolazi do kondenzacije na ohlađenom kraju koji strši iz govora. Briketi se unose u retortu u papirnatim vrećicama, zatim se ubacuju kondenzatori i retorta se zatvara. Zrak se evakuira mehaničkim vakuum pumpama na početku ciklusa. Zatim se spajaju difuzijske pumpe i preostali tlak se smanjuje na 20 mikrona.

Retorte se zagrijavaju na 1200°. Nakon 12 sati. nakon utovara retorte se otvaraju i istovaruju. Nastali kalcij ima oblik šupljeg cilindra guste mase velikih kristala taloženih na površini čelične čahure. Glavna nečistoća u kalciju je magnezij, koji se u prvom redu reducira i uglavnom je koncentriran u sloju uz oblogu. U prosjeku je sadržaj nečistoća; 0,5-1% Mg, oko 0,2% Al, 0,005-0,02% Mn, do 0,02% N, ostale nečistoće - Cu, Pb, Zn, Ni, Si, Fe - javljaju se u rasponu od 0,005-0,04%. A. Yu. Taits i AI Voinitskiy koristili su polutvorničku električnu vakuumsku peć s grijačima na ugljen za dobivanje kalcija aluminotermalnom metodom i postigli stupanj iskorištenja aluminija od 60%, specifičnu potrošnju aluminija 0,78 kg, specifičnu potrošnju punjenja, respektivno. , 4,35 kg i specifična potrošnja električne energije 14 kW / h po 1 kg metala.

Nastali metal, s izuzetkom magnezijevih nečistoća, bio je relativno visoke čistoće. Prosječno je sadržaj nečistoća u njemu bio: 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 Silikotermalna metoda oporavka kalcija

Silikotermalna metoda je vrlo primamljiva; redukcijsko sredstvo je ferosilicij, reagens je puno jeftiniji od aluminija. Međutim, silikotermalni proces je teže izvesti od aluminotermalnog. Redukcija kalcijevog oksida silicijem odvija se prema jednadžbi

CaO + Si = 2CaO SiO2 + 2Ca. (osamnaest)

Ravnotežni tlak pare kalcija, izračunat iz vrijednosti slobodne energije, je:

° S 1300140015001600R, mm Hg. st0,080,150,752,05

Stoga, u vakuumu reda veličine 0,01 mm Hg. Umjetnost. redukcija kalcijevog oksida termodinamički je moguća pri temperaturi od 1300°. U praksi, kako bi se osigurala prihvatljiva brzina, postupak treba provoditi na temperaturi od 1400-1500 °.

Reakcija redukcije kalcijevog oksida sa silicij-aluminij teče nešto lakše, pri čemu i aluminij i silicij legure služe kao redukcijski agensi. Eksperimentima je utvrđeno da u početku prevladava redukcija s aluminijem; a reakcija se nastavlja s konačnim stvaranjem bCaO 3Al 2Oz prema gore navedenoj shemi (slika 1). Smanjenje silicija postaje značajno na višim temperaturama kada je većina aluminija reagirala; reakcija teče stvaranjem 2CaO SiO 2. Ukratko, reakcija redukcije kalcijevog oksida s aluminijevim silikonom izražava se sljedećom jednadžbom:

mSi + n Al + (4m +2 ?) CaO = m (2CaO SiO 2) + ?n (5SaO Al 2O3 ) + (2m +1, 5n) Ca.

Studije A. Yu. Taitsa i A. I. Voinitskiyja utvrdile su da se kalcijev oksid reducira za 75% ferosilicija s prinosom metala od 50-75% pri temperaturi od 1400-1450° u vakuumu od 0,01-0,03 mm Hg. čl.; silicij-aluminij koji sadrži 60-30% Si i 32-58% Al (ostatak je željezo, titan, itd.) reducira kalcijev oksid s prinosom metala od oko 70% na temperaturama od 1350-1400° u vakuumu od 0,01- 0,05 mm Hg ... Umjetnost. Eksperimenti u polutvorničkim razmjerima dokazali su temeljnu mogućnost dobivanja kalcija iz vapna s ferosilicijem i aluminijskim silikonom. Glavna instrumentalna poteškoća je odabir stalka u uvjetima ovog procesa obloge.

Prilikom rješavanja ovog problema metoda se može primijeniti u industriji. Razgradnja kalcijevog karbida Dobivanje metalnog kalcija razgradnjom kalcijevog karbida

CaC2 = Ca + 2C

treba pripisati obećavajućim metodama. U tom slučaju se kao drugi proizvod dobiva grafit. V. Mauderly, E. Moser i V. Treadwell, izračunavši slobodnu energiju stvaranja kalcijevog karbida iz termokemijskih podataka, dobili su sljedeći izraz za tlak pare kalcija nad čistim kalcijevim karbidom:

ca = 1,35 - 4505 \ T (1124 - 1712 ° K),

lgp ca = 6,62 - 13523 \ T (1712-2000 ° K).

Očigledno, komercijalni kalcijev karbid se razgrađuje na znatno višim temperaturama nego što proizlazi iz ovih izraza. Isti autori izvještavaju o toplinskoj razgradnji kalcijevog karbida u kompaktnim grudama na 1600-1800° u vakuumu od 1 mm Hg. Umjetnost. Prinos grafita bio je 94%, kalcij je dobiven u obliku guste naslage na hladnjaku. A. S. Mikulinsky, F. S. Morii, R. Sh. Shklyar za određivanje svojstava grafita dobivenog razgradnjom kalcijevog karbida, zagrijali su ga u vakuumu od 0,3-1 mm Hg. Umjetnost. na temperaturi od 1630-1750 °. Rezultirajući grafit razlikuje se od Achesonovog grafita po većim zrncima, višoj električnoj vodljivosti i nižoj nasipnoj gustoći.

3. Praktični dio

Dnevno izlijevanje magnezija iz elektrolizera jačine struje od 100 kA iznosilo je 960 kg kada je kupka hranjena magnezijevim kloridom. Napon na udaru elektrolizera je 0,6 V. Odredite:

)Izlaz struje na katodi;

)Količina klora dobivena dnevno, pod uvjetom da je izlazna struja na anodi jednaka izlaznoj struji na ktodi;

)Dnevno punjenje MgCl 2u elektrolizer, pod uvjetom da gubitak MgCl 2 javljaju se uglavnom s muljem i dimovima. Količina mulja 0,1 na 1 tonu Mg koji sadrži MgCl 2 u sublimatu 50%. Količina sublimata je 0,05 tona na 1 tonu Mg. Sastav izlivenog magnezijevog klorida,%: 92 MgCl2 i 8 NaCl.

.Odredite izlaznu struju na katodi:

m NS = ja ? K Mg · ?

?= m NS \ I ?K Mg = 960.000 \ 100.000 0,454 24 = 0,881 ili 88,1%

.Odredite količinu Cl primljene dnevno:

x = 960000 g \ 24 g \ mol = 40 000 mol

Prevodimo u volumen:

x = 126.785,7 m3

3.a) Pronađite čisti MgCl 2, za proizvodnju 960 kg Mg.

x = 95 960 \ 24,3 = 3753 kg = 37,53 t.

b) gubici s muljem. Od sastava magnezijevih elektrolizera,%: 20-35 MgO, 2-5 Mg, 2-6 Fe, 2-4 SiO 2, 0,8-2 TiO 20,4-1,0°C, 35 MgCl2 .

kg - 1000 kg

m shl = 960 kg - masa mulja dnevno.

96 kg mulja dnevno: 96 0,35 (MgCl2 s muljem).

c) gubici sa sublimatima:

kg - 1000 kg

kg sublimira: 48 0,5 = 24 kg MgCl 2 sa sublimatima.

Ukupno morate ispuniti Mg:

33,6 + 24 = 3810,6 kg MgCl2 dnevno

Bibliografija

Osnove metalurgije III

<#"justify">metalurgija Al i Mg. Vetyukov M.M., Tsyplokov A.M.

podučavanje

Trebate pomoć u istraživanju teme?

Naši stručnjaci će savjetovati ili pružiti usluge podučavanja o temama koje vas zanimaju.
Pošaljite zahtjev s naznakom teme odmah kako bi se informirali o mogućnosti dobivanja konzultacija.

Prirodni spojevi kalcija (kreda, mramor, vapnenac, gips) i proizvodi njihove najjednostavnije obrade (vapno) poznati su ljudima od davnina. Godine 1808. engleski kemičar Humphrey Davy podvrgao je elektrolizi mokro gašeno vapno (kalcijev hidroksid) sa živinom katodom i dobio kalcijev amalgam (legura kalcija sa živom). Od ove legure, destilirajući živu, Davy je dobio čisti kalcij.
Predložio je i naziv novog kemijskog elementa, od latinskog "calx" što znači naziv vapnenca, krede i drugog mekog kamenja.

Boravak u prirodi i primanje:

Kalcij je peti najzastupljeniji element u zemljinoj kori (više od 3%), tvori mnoge stijene, od kojih se mnoge temelje na kalcijevom karbonatu. Neke od ovih stijena su organskog porijekla (školjke), što pokazuje važnu ulogu kalcija u divljini. Prirodni kalcij je mješavina 6 izotopa s masenim brojem od 40 do 48, pri čemu 40 Ca čini 97% ukupnog broja. Drugi izotopi kalcija također su dobiveni nuklearnim reakcijama, na primjer, radioaktivni 45 Ca.
Da bi se dobila jednostavna kalcijeva tvar, koristi se elektroliza talina njegovih soli ili alumotermija:
4CaO + 2Al = Ca (AlO 2) 2 + 3Ca

Fizička svojstva:

Srebrno-sivi metal s kubičnom rešetkom usmjerenom na lice, znatno tvrđi od alkalnih metala. Talište 842 ° C, vrelište 1484 ° C, gustoća 1,55 g / cm 3. Pri visokim tlakovima i temperaturama oko 20K prelazi u supravodljivo stanje.

Kemijska svojstva:

Kalcij nije tako aktivan kao alkalni metali, no mora se čuvati ispod sloja mineralnog ulja ili u čvrsto zatvorenim metalnim bačvama. Već na uobičajenim temperaturama reagira s kisikom i dušikom u zraku, kao i s vodenom parom. Kada se zagrije, gori na zraku s crveno-narančastim plamenom, stvarajući oksid s primjesom nitrida. Poput magnezija, kalcij nastavlja izgarati u atmosferi ugljičnog dioksida. Kada se zagrijava, reagira s drugim nemetalima, stvarajući spojeve koji nisu uvijek očiti u sastavu, na primjer:
Ca + 6B = CaB 6 ili Ca + P => Ca 3 P 2 (i također CaP ili CaP 5)
U svim svojim spojevima, kalcij ima oksidacijsko stanje +2.

Najvažnije veze:

Kalcijev oksid CaO- ("živo vapno") bijela tvar, alkalni oksid, snažno reagira s vodom ("gašeno"), pretvarajući se u hidroksid. Dobiva se toplinskom razgradnjom kalcijevog karbonata.

Kalcijev hidroksid Ca (OH) 2- ("gašeno vapno") bijeli prah, slabo topiv u vodi (0,16 g / 100 g), jaka lužina. Za otkrivanje ugljičnog dioksida koristi se otopina ("vapnena voda").

Kalcijev karbonat CaCO3- osnova većine prirodnih minerala kalcija (kreda, mramor, vapnenac, školjka, kalcit, islandska šparta). Čista bijela ili bezbojna tvar. kristali, Pri zagrijavanju (900-1000 C) se razgrađuju, stvarajući kalcijev oksid. Nije p-rim, reagira s kiselinama, može se otopiti u vodi zasićenoj ugljičnim dioksidom, pretvarajući se u bikarbonat: CaCO 3 + CO 2 + H 2 O = Ca (HCO 3) 2. Obrnuti proces dovodi do pojave naslaga kalcijevog karbonata, posebno formacija kao što su stalaktiti i stalagmiti
Također se prirodno javlja u dolomitu CaCO 3 * MgCO 3

Kalcijev sulfat CaSO 4- bijela tvar, u prirodi CaSO 4 * 2H 2 O ("gips", "selenit"). Potonji se, pažljivim zagrijavanjem (180 C), pretvara u CaSO 4 * 0,5H 2 O ("spaljeni gips", "alabaster") - bijeli prah, kada se ponovno pomiješa s vodom, stvara CaSO 4 * 2H 2 O u obliku od čvrstog, dovoljno čvrstog materijala. Slabo topiv u vodi, u višku sumporne kiseline može se otopiti, tvoreći hidrosulfat.

Kalcijev fosfat Ca 3 (PO 4) 2- ("fosforit"), netopljiv, pod djelovanjem jakih kiselina prelazi u topljivije kalcijeve hidro- i dihidrogen fosfate. Sirovina za proizvodnju fosfora, fosforne kiseline, fosfornih gnojiva. Kalcijevi fosfati su također uključeni u apatite, prirodne spojeve s približnom formulom Ca 5 3 Y, gdje je Y = F, Cl ili OH, odnosno fluor-, kloro- ili hidroksiapatit. Uz fosforit, apatit je dio skeleta mnogih živih organizama, uklj. i osoba.

Kalcijev fluorid CaF 2 - (prirodno.:"fluorit", "fluorspar"), netopiva tvar bijele boje. Prirodni minerali imaju različite boje zbog nečistoća. Svjetli u mraku kada se zagrijava i pod UV zračenjem. Povećava fluidnost ("taljivost") troske pri primanju metala, što je posljedica njegove upotrebe kao fluksa.

Kalcijev klorid CaCl 2- bezbojna. krist. in-in well-r-rim in water. Tvori kristalni hidrat CaCl 2 * 6H 2 O. Bezvodni ("stopljeni") kalcijev klorid je dobro sredstvo za sušenje.

Kalcijev nitrat Ca (NO 3) 2- ("kalcijev nitrat") bezbojan. krist. in-in well-r-rim in water. Sastavni dio pirotehničkih sastava, koji plamenu daje crveno-narančastu boju.

Kalcijev karbid CaS 2- reagira s vodom, to-tami stvara acetilen, na primjer: CaC 2 + H 2 O = C 2 H 2 + Ca (OH) 2

Primjena:

Metalni kalcij se koristi kao jak reduktor u proizvodnji određenih teško reducirajućih metala ("kalciotermija"): kroma, REE, torija, urana itd. U metalurgiji bakra, nikla, specijalnih čelika i bronce, kalcij i njegove legure se koriste za uklanjanje štetnih nečistoća sumpora, fosfora, viška ugljika.
Kalcij se također koristi za vezanje malih količina kisika i dušika u visokom vakuumu i pročišćavanju inertnog plina.
Ioni 48 Ca s viškom neutrona koriste se za sintezu novih kemijskih elemenata, na primjer, element br. 114,. Drugi izotop kalcija, 45 Ca, koristi se kao radioaktivna oznaka u studijama biološke uloge kalcija i njegove migracije u okolišu.

Glavno područje primjene brojnih kalcijevih spojeva je proizvodnja građevinskih materijala (cement, građevinske smjese, suhozid itd.).

Kalcij je jedan od makronutrijenata u sastavu živih organizama, tvoreći spojeve potrebne za izgradnju kako unutarnjeg skeleta kralježnjaka, tako i vanjskog mnogih beskralježnjaka, ljuske jaja. Kalcijevi ioni također sudjeluju u regulaciji unutarstaničnih procesa, uzrokujući zgrušavanje krvi. Nedostatak kalcija u djetinjstvu dovodi do rahitisa, kod starijih - do osteoporoze. Izvor kalcija su mliječni proizvodi, heljda, orasi, a njegovoj apsorpciji doprinosi vitamin D. Uz nedostatak kalcija koriste se različiti lijekovi: calcex, otopina kalcijevog klorida, kalcijev glukonat itd.
Maseni udio kalcija u ljudskom tijelu je 1,4-1,7%, dnevna potreba je 1-1,3 g (ovisno o dobi). Prekomjeran unos kalcija može dovesti do hiperkalcemije – taloženja njegovih spojeva u unutarnjim organima, stvaranja krvnih ugrušaka u krvnim žilama. Izvori:
Kalcij (element) // Wikipedia. URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/Calcium (datum pristupa: 01.03.2014.).
Popularna biblioteka kemijskih elemenata: Kalcij. // URL: http://n-t.ru/ri/ps/pb020.htm (3.1.2014.).

DEFINICIJA

Kalcij- dvadeseti element periodnog sustava. Oznaka - Ca od latinskog "kalcij". Smješten u četvrtom razdoblju, IIA grupa. Odnosi se na metale. Jezgra je napunjena 20.

Kalcij je jedan od najzastupljenijih elemenata u prirodi. Sadrži približno 3% (masenih) u zemljinoj kori. Javlja se u obliku brojnih naslaga vapnenca i krede, kao i mramora, koji su prirodne varijante kalcijevog karbonata CaCO 3. Tu su i velike količine gipsa CaSO 4 × 2H 2 O, fosforita Ca 3 (PO 4) 2 i, konačno, raznih silikata koji sadrže kalcij.

U obliku jednostavne tvari, kalcij je savitljiv, prilično tvrd bijeli metal (slika 1.). Na zraku se brzo prekriva slojem oksida, a kada se zagrije, izgara svijetlim crvenkastim plamenom. Kalcij s hladnom vodom reagira relativno sporo, ali brzo istiskuje vodik iz vruće vode, stvarajući hidroksid.

Riža. 1. Kalcij. Izgled.

Atomska i molekularna težina kalcija

Relativna molekularna težina tvari (M r) je broj koji pokazuje koliko je puta masa dane molekule veća od 1/12 mase atoma ugljika, a relativna atomska masa elementa (Ar) je koliko je puta prosječna masa atoma kemijskog elementa veća od 1/12 mase atoma ugljika.

Budući da u slobodnom stanju kalcij postoji u obliku monoatomskih molekula Ca, vrijednosti njegove atomske i molekularne težine se poklapaju. Oni su jednaki 40,078.

Izotopi kalcija

Poznato je da u prirodi kalcij može biti u obliku četiri stabilna izotopa 40 Ca, 42 Ca, 43 Ca, 44 Ca, 46 Ca i 48 Ca, uz jasnu prevlast izotopa 40 Ca (99,97%). Njihovi maseni brojevi su 40, 42, 43, 44, 46 i 48. Jezgra izotopa izotopa 40 Ca sadrži dvadeset protona i dvadeset neutrona, a ostali se izotopi od nje razlikuju samo po broju neutrona.

Postoje umjetni izotopi kalcija s masenim brojevima od 34 do 57, među kojima je najstabilniji 41 Ca s vremenom poluraspada od 102 tisuće godina.

Kalcijevi ioni

Na vanjskoj energetskoj razini atoma kalcija postoje dva elektrona koji su valentni:

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

Kao rezultat kemijske interakcije, kalcij odustaje od svojih valentnih elektrona, t.j. je njihov donor i pretvara se u pozitivno nabijeni ion:

Ca 0 -2e → Ca 2+.

Molekula i atom kalcija

U slobodnom stanju, kalcij postoji u obliku monoatomskih molekula Ca. Evo nekih svojstava koja karakteriziraju atom i molekulu kalcija:

Kalcijeve legure

Kalcij služi kao legirajuća komponenta u nekim legurama olova.

Primjeri rješavanja problema

PRIMJER 1