La massa atomica del calcio. Il calcio come elemento chimico, il suo ruolo

16.10.2019

Proprietà biologiche

Il calcio è uno degli elementi biogenici, i suoi composti si trovano in quasi tutti gli organismi viventi (pochi organismi sono in grado di svilupparsi in un ambiente privo di calcio), garantendo il normale corso dei processi vitali. Il ventesimo elemento è presente in tutti i tessuti e fluidi di animali e piante, la maggior parte di esso (negli organismi vertebrati - compreso l'uomo) si trova nello scheletro e nei denti sotto forma di fosfati (ad esempio, idrossiapatite Ca5 (PO4) 3OH o 3Ca3 (PO4) 2 Ca (OH)2). L'uso del ventesimo elemento come materiale da costruzione per ossa e denti è dovuto al fatto che nella cellula non vengono utilizzati ioni calcio. La concentrazione di calcio è controllata da speciali ormoni, la loro azione combinata preserva e mantiene la struttura delle ossa. Gli scheletri della maggior parte dei gruppi di invertebrati (molluschi, coralli, spugne e altri) sono costruiti con varie forme di carbonato di calcio CaCO3 (calce). Molti invertebrati immagazzinano calcio prima della muta per costruire un nuovo scheletro o per fornire funzioni vitali in condizioni avverse. Gli animali ricevono calcio dal cibo e dall'acqua, e le piante dal suolo e in relazione a questo elemento si dividono in calcefili e calcefobi.

Gli ioni di questo importante oligoelemento sono coinvolti nei processi di coagulazione del sangue, oltre a garantire una costante pressione osmotica del sangue. Inoltre, il calcio è necessario per la formazione di un certo numero di strutture cellulari, mantenendo la normale permeabilità delle membrane cellulari esterne, per fecondare le uova di pesci e altri animali e per attivare una serie di enzimi (forse questa circostanza è dovuta al fatto che il calcio sostituisce gli ioni magnesio). Gli ioni calcio trasmettono l'eccitazione alla fibra muscolare, provocandone la contrazione, aumentano la forza delle contrazioni cardiache, aumentano la funzione fagocitica dei leucociti, attivano il sistema delle proteine del sangue protettive, regolano l'esocitosi, compresa la secrezione di ormoni e neurotrasmettitori. Il calcio influisce sulla pervietà dei vasi sanguigni: senza questo elemento, grassi, lipidi e colesterolo si depositano sulle pareti dei vasi sanguigni. Il calcio contribuisce all'escrezione di sali di metalli pesanti e radionuclidi dal corpo, svolge funzioni antiossidanti. Il calcio colpisce il sistema riproduttivo, ha un effetto antistress e ha un effetto antiallergico.

Il contenuto di calcio nel corpo di un adulto (del peso di 70 kg) è di 1,7 kg (principalmente nella composizione della sostanza intercellulare del tessuto osseo). La necessità di questo elemento dipende dall'età: per gli adulti l'indennità giornaliera richiesta va da 800 a 1.000 milligrammi, per i bambini da 600 a 900 milligrammi. Per i bambini, è particolarmente importante consumare la dose necessaria per la crescita e lo sviluppo intensivo delle ossa. La principale fonte di calcio nel corpo è il latte e i latticini, il resto del calcio proviene dalla carne, dal pesce e da alcuni prodotti vegetali (soprattutto i legumi). L'assorbimento dei cationi di calcio avviene nell'intestino tenue e crasso, l'assorbimento è facilitato da un ambiente acido, dalle vitamine C e D, dal lattosio (acido lattico) e dagli acidi grassi insaturi. A loro volta, l'aspirina, l'acido ossalico, i derivati degli estrogeni riducono significativamente l'assorbimento del ventesimo elemento. Quindi, combinandosi con l'acido ossalico, il calcio dà composti insolubili in acqua che sono componenti dei calcoli renali. Il ruolo del magnesio nel metabolismo del calcio è ottimo: con la sua carenza, il calcio viene "lavato via" dalle ossa e depositato nei reni (calcoli renali) e nei muscoli. In generale esiste un complesso sistema di immagazzinamento e rilascio del ventesimo elemento nell'organismo, per questo motivo il contenuto di calcio nel sangue è regolato con precisione, e con una corretta alimentazione, non vi è carenza o eccesso. Una dieta a base di calcio a lungo termine può causare crampi, dolori articolari, costipazione, affaticamento, sonnolenza, ritardo della crescita. La mancanza prolungata di calcio nella dieta porta allo sviluppo dell'osteoporosi. Nicotina, caffeina e alcol sono alcuni dei motivi della mancanza di calcio nel corpo, poiché contribuiscono alla sua escrezione intensiva nelle urine. Tuttavia, un eccesso del ventesimo elemento (o vitamina D) porta a conseguenze negative: si sviluppa ipercalcemia, la cui conseguenza è un'intensa calcificazione di ossa e tessuti (colpisce principalmente il sistema urinario). L'eccesso di calcio a lungo termine interrompe il funzionamento dei muscoli e dei tessuti nervosi, aumenta la coagulazione del sangue e riduce l'assorbimento di zinco da parte delle cellule ossee. Forse la comparsa di artrosi, cataratta, problemi di pressione sanguigna. Da quanto precede, possiamo concludere che le cellule degli organismi vegetali e animali necessitano di rapporti rigorosamente definiti di ioni calcio.

In farmacologia e medicina, i composti di calcio vengono utilizzati per la produzione di vitamine, compresse, pillole, iniezioni, antibiotici, nonché per la produzione di fiale e utensili medici.

Si scopre che una causa abbastanza comune di infertilità maschile è la mancanza di calcio nel corpo! Il fatto è che la testa dello spermatozoo ha una formazione a forma di freccia, che consiste interamente di calcio, con una quantità sufficiente di questo elemento, lo spermatozoo è in grado di superare la membrana e fecondare l'uovo, con insufficiente infertilità.

Scienziati americani hanno scoperto che la mancanza di ioni calcio nel sangue porta a un indebolimento della memoria e a una diminuzione dell'intelligenza. Ad esempio, dalla nota rivista statunitense Science News, si è saputo di esperimenti che hanno confermato che i gatti sviluppano un riflesso condizionato solo se le loro cellule cerebrali contengono più calcio che sangue.

Il composto calciocianammidico, molto apprezzato in agricoltura, viene utilizzato non solo come fertilizzante azotato e fonte di urea, prezioso fertilizzante e materia prima per la produzione di resine sintetiche, ma anche come sostanza con cui è stato possibile meccanizzare la raccolta dei campi di cotone. Il fatto è che dopo la lavorazione con questo composto, il cotone perde immediatamente il fogliame, il che consente alle persone di lasciare la raccolta del cotone alle macchine.

Quando si parla di alimenti ricchi di calcio si parla sempre di latticini, ma il latte stesso contiene da 120 mg (vacca) a 170 mg (pecora) di calcio per 100 g; la ricotta è ancora più povera: solo 80 mg per 100 grammi. Dei latticini, solo il formaggio contiene da 730 mg (gouda) a 970 mg (emmental) di calcio per 100 g di prodotto. Tuttavia, il detentore del record per il contenuto del ventesimo elemento è il papavero: 100 grammi di semi di papavero contengono quasi 1.500 mg di calcio!

Il cloruro di calcio CaCl2, utilizzato ad esempio negli impianti di refrigerazione, è un prodotto di scarto di molti processi chimico-tecnologici, in particolare della produzione su larga scala di soda. Tuttavia, nonostante l'uso diffuso del cloruro di calcio in vari campi, il suo consumo è notevolmente inferiore alla sua produzione. Per questo, ad esempio, vicino agli stabilimenti che producono soda, da salamoia di cloruro di calcio si formano interi laghi. Tali stagni di stoccaggio non sono rari.

Per capire quanti composti di calcio vengono consumati, vale la pena fare solo un paio di esempi. Nella produzione dell'acciaio, la calce viene utilizzata per rimuovere fosforo, silicio, manganese e zolfo; nel processo di conversione dell'ossigeno si consumano 75 chilogrammi di calce per tonnellata di acciaio! Un altro esempio viene da un'area completamente diversa: l'industria alimentare. Nella produzione dello zucchero, per precipitare il saccarato di calcio, lo sciroppo di zucchero grezzo viene fatto reagire con la calce. Quindi, lo zucchero di canna di solito richiede circa 3-5 kg di lime per tonnellata e lo zucchero di barbabietola - cento volte di più, ovvero circa mezza tonnellata di lime per tonnellata di zucchero!

La "durezza" dell'acqua è una serie di proprietà conferite all'acqua dai sali di calcio e magnesio disciolti in essa. La rigidità si divide in temporanea e permanente. La durezza temporanea o carbonatica è causata dalla presenza di bicarbonati solubili Ca (HCO3) 2 e Mg (HCO3) 2 in acqua. È molto facile eliminare la durezza carbonatica: quando l'acqua bollente, i bicarbonati si trasformano in carbonati di calcio e magnesio insolubili in acqua, precipitando. La durezza permanente è creata da solfati e cloruri degli stessi metalli, ma eliminarla è molto più difficile. L'acqua dura è terribile non solo perché impedisce la formazione di schiuma di sapone e quindi lava peggio i vestiti, è molto peggio perché forma uno strato di incrostazioni nelle caldaie a vapore e negli impianti di caldaie, riducendone così l'efficienza e portando a emergenze. È interessante notare che sapevano come determinare la durezza dell'acqua nell'antica Roma. Il vino rosso è stato utilizzato come reagente: i suoi coloranti formano un precipitato con ioni calcio e magnesio.

Il processo di preparazione del calcio per la conservazione è molto interessante. Il calcio metallico viene conservato a lungo sotto forma di pezzi che pesano da 0,5 a 60 kg. Questi "maiali" vengono confezionati in sacchi di carta, quindi posti in contenitori di ferro zincato con cuciture saldate e colorate. I contenitori ben chiusi sono posti in scatole di legno. I pezzi di peso inferiore a mezzo chilogrammo non possono essere conservati a lungo: una volta ossidati, si trasformano rapidamente in ossido, idrossido e carbonato di calcio.

Storia

Il calcio metallico è stato ottenuto relativamente di recente - nel 1808, tuttavia, l'umanità ha familiarità con i composti di questo metallo da molto tempo. Sin dai tempi antichi, le persone hanno usato calcare, gesso, marmo, alabastro, gesso e altri composti contenenti calcio nell'edilizia e nella medicina. Il calcare CaCO3 è stato molto probabilmente il primo materiale da costruzione utilizzato dall'uomo. È stato utilizzato nella costruzione delle piramidi egiziane e della Grande Muraglia cinese. Molti templi e chiese in Russia, così come la maggior parte degli edifici dell'antica Mosca, sono stati costruiti utilizzando pietra calcarea bianca. Anche nell'antichità una persona, bruciando calcare, riceveva calce viva (CaO), come dimostrano le opere di Plinio il Vecchio (I secolo d.C.) e Dioscoride, medico dell'esercito romano, che introdusse per l'ossido di calcio nel suo saggio "Sui medicinali" il nome "calce viva", che è sopravvissuto fino ad oggi. E tutto questo nonostante il fatto che l'ossido di calcio puro sia stato descritto per la prima volta dal chimico tedesco I. Quindi, solo nel 1746, e nel 1755, il chimico J. Black, studiando il processo di cottura, rivelò che si verifica la perdita di massa di calcare durante la cottura a causa del rilascio di anidride carbonica:

CaCO3 ↔ CO2 + CaO

I mortai egizi usati nelle piramidi di Giza erano a base di gesso parzialmente disidratato CaSO4 2H2O, o in altre parole, alabastro 2CaSO4∙H2O. È anche la base di tutto l'intonaco nella tomba di Tutankhamon. Il gesso bruciato (alabastro) veniva utilizzato dagli egiziani come legante nella costruzione di impianti di irrigazione. Cottura del gesso naturale ad alte temperature, i costruttori egiziani hanno ottenuto la sua parziale disidratazione e non solo l'acqua, ma anche l'anidride solforica è stata scissa dalla molecola. Successivamente, diluita con acqua, si otteneva una massa molto forte, che non temeva l'acqua e gli sbalzi di temperatura.

I romani possono essere giustamente chiamati gli inventori del cemento, perché nei loro edifici usavano una delle varietà di questo materiale da costruzione: una miscela di pietrisco, sabbia e calce. C'è una descrizione di Plinio il Vecchio della costruzione di cisterne con tale cemento: "Per la costruzione di cisterne, cinque parti di pura sabbia ghiaiosa, due parti della migliore grassello di calce e frammenti di selce (lavica dura) di peso non superiore a si prende una libbra a testa, dopo aver mescolato, si compattano le superfici inferiore e laterale con colpi di costipatore di ferro». Nel clima umido dell'Italia, il cemento era il materiale più stabile.

Si scopre che i composti del calcio, che hanno ampiamente utilizzato, sono noti da tempo all'umanità. Tuttavia, fino alla fine del XVIII secolo, i chimici consideravano la calce un corpo semplice, solo alla vigilia del nuovo secolo iniziò lo studio della natura della calce e di altri composti del calcio. Quindi Stahl ha suggerito che la calce è un corpo complesso costituito da principi terrosi e acquosi, e Black ha stabilito una differenza tra calce caustica e calce carbonica, che conteneva "aria fissa". Antoine Laurent Lavoisier attribuiva le terre calcaree (CaO) al numero degli elementi, cioè alle sostanze semplici, anche se nel 1789 suggerì che calce, magnesia, barite, allumina e silice sono sostanze complesse, ma sarà possibile solo dimostrarlo decomponendo la "terra ostinata" (ossido di calcio). E il primo ad avere successo fu Humphrey Davy. Dopo la riuscita decomposizione degli ossidi di potassio e di sodio mediante elettrolisi, il chimico decise di ottenere metalli alcalino terrosi allo stesso modo. Tuttavia, i primi tentativi non hanno avuto successo: l'inglese ha cercato di decomporre la calce mediante elettrolisi nell'aria e sotto uno strato di olio, quindi ha calcinato la calce con metallo di potassio in un tubo e ha fatto molti altri esperimenti, ma senza successo. Infine, in un dispositivo con catodo di mercurio, ottenne un amalgama per elettrolisi di calce, e da essa calcio metallico. Ben presto, questo metodo per ottenere il metallo fu migliorato da I. Berzelius e M. Pontin.

Il nuovo elemento prende il nome dalla parola latina "calx" (nel caso genitivo calcis) - calce, pietra tenera. Calx (calx) era chiamato gesso, calcare, in generale un ciottolo, ma il più delle volte una malta a base di calce. Questo concetto è stato utilizzato anche da autori antichi (Vitruvio, Plinio il Vecchio, Dioscoride), descrivendo la combustione del calcare, la spegnimento della calce e la preparazione di malte. Successivamente, nella cerchia degli alchimisti, "calx" indicava il prodotto della tostatura in generale, in particolare i metalli. Quindi, ad esempio, gli ossidi metallici erano chiamati calci metallici e il processo di cottura stesso era chiamato calcinazione (calcinatio). Nell'antica letteratura russa sulle prescrizioni si trova la parola feci (fango, argilla), quindi nella collezione della Trinità-Sergius Lavra (XV secolo) si dice: "prendi le feci, da esse fanno l'oro per la fornace". Solo più tardi la parola cal, che è indubbiamente correlata alla parola "calx", divenne sinonimo della parola sterco. Nella letteratura russa dell'inizio del XIX secolo, il calcio era talvolta chiamato la base della terra calcarea, calcarea (Shcheglov, 1830), calcarea (Iovsky), calcio, calcio (Hess).

Essere nella natura

Il calcio è uno degli elementi più comuni sul nostro pianeta - il quinto in termini di contenuto quantitativo in natura (dei non metalli, solo l'ossigeno è più comune - 49,5% e silicio - 25,3%) e il terzo tra i metalli (solo l'alluminio è più comune - 7,5% e ferro - 5,08%). Clarke (contenuto medio nella crosta terrestre) di calcio, secondo varie stime, va dal 2,96% in peso al 3,38%, possiamo sicuramente dire che questa cifra è di circa il 3%. Nel guscio esterno dell'atomo di calcio ci sono due elettroni di valenza, il cui legame con il nucleo è piuttosto fragile. Per questo motivo il calcio ha un'elevata attività chimica e non si trova in natura in forma libera. Tuttavia, migra attivamente e si accumula in vari sistemi geochimici, formando circa 400 minerali: silicati, alluminosilicati, carbonati, fosfati, solfati, borosilicati, molibdati, cloruri e altri, classificandosi al quarto posto in questo indicatore. Durante lo scioglimento dei magmi basaltici, il calcio si accumula nel fuso ed entra nella composizione dei principali minerali rocciosi, durante il frazionamento dei quali il suo contenuto diminuisce durante la differenziazione del magma dalle rocce basiche a quelle acide. Il calcio si trova per la maggior parte nella parte inferiore della crosta terrestre, accumulandosi nelle rocce principali (6,72%); c'è poco calcio nel mantello terrestre (0,7%) e, probabilmente, anche meno nel nucleo terrestre (nei meteoriti ferrosi del ventesimo elemento simili al nucleo, solo lo 0,02%).

È vero, il clarke di calcio nei meteoriti pietrosi è dell'1,4% (si trova un raro solfuro di calcio), nelle rocce medie - 4,65%, le rocce acide contengono l'1,58% di calcio in peso. La parte principale del calcio è contenuta nella composizione di silicati e alluminosilicati di varie rocce (graniti, gneiss, ecc.), In particolare nel feldspato - anortite Ca, nonché nel diopside CaMg, wollastonite Ca3. Sotto forma di rocce sedimentarie, i composti del calcio sono rappresentati da gesso e calcare, costituiti principalmente dal minerale calcite (CaCO3).

Il carbonato di calcio CaCO3 è uno dei composti più comuni sulla Terra: i minerali a base di carbonato di calcio ricoprono circa 40 milioni di chilometri quadrati della superficie terrestre. In molte parti della superficie terrestre sono presenti significativi depositi sedimentari di carbonato di calcio, che si sono formati dai resti di antichi organismi marini - gesso, marmo, calcare, rocce di conchiglie - tutto questo è CaCO3 con impurità minori e la calcite è CaCO3 puro. Il più importante di questi minerali è il calcare, più precisamente i calcari - dopotutto, ogni deposito differisce per densità, composizione e quantità di impurità. Ad esempio, la roccia a conchiglia è calcare di origine organica e il carbonato di calcio, che ha meno impurità, forma cristalli trasparenti di calce o spato islandese. Il gesso è un'altra varietà comune di carbonato di calcio, ma il marmo, la forma cristallina della calcite, è molto meno comune in natura. È generalmente accettato che il marmo si sia formato dal calcare in epoche geologiche antiche. Durante il movimento della crosta terrestre, i singoli depositi di calcare sono stati sepolti sotto strati di altre rocce. Sotto l'azione dell'alta pressione e della temperatura, ebbe luogo il processo di ricristallizzazione e il calcare si trasformò in una roccia cristallina più densa, il marmo. Bizzarre stalattiti e stalagmiti - il minerale aragonite, che è un'altra varietà di carbonato di calcio. L'aragonite ortorombica si forma nei mari caldi: le Bahamas, le Florida Keys e il bacino del Mar Rosso sono formati da enormi strati di carbonato di calcio sotto forma di aragonite. Sono anche abbastanza diffusi minerali di calcio come fluorite CaF2, dolomite MgCO3 CaCO3, anidrite CaSO4, fosforite Ca5 (PO4) 3 (OH, CO3) (con varie impurità) e apatite Ca5 (PO4) 3 (F, Cl, OH) - forme di fosfato di calcio, alabastro CaSO4 0,5H2O e gesso CaSO4 2H2O (forme di solfato di calcio) e altri. Nei minerali contenenti calcio, ci sono elementi che sostituiscono isomorficamente le impurità (ad esempio sodio, stronzio, terre rare, elementi radioattivi e altri).

Gran parte del ventesimo elemento si trova nelle acque naturali a causa dell'esistenza di un "equilibrio carbonatico" globale tra CaCO3 scarsamente solubile, Ca(HCO3)2 altamente solubile e CO2 presente nell'acqua e nell'aria:

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

Questa reazione è reversibile ed è la base per la ridistribuzione del ventesimo elemento - con un alto contenuto di anidride carbonica nelle acque, il calcio è in soluzione e con un basso contenuto di CO2 precipita la calcite minerale CaCO3, formando potenti depositi di calcare, gesso, marmo.

Una notevole quantità di calcio è inclusa nella composizione degli organismi viventi, ad esempio idrossiapatite Ca5 (PO4) 3OH o, in un'altra voce, 3Ca3 (PO4) 2 Ca (OH) 2 - la base del tessuto osseo dei vertebrati, compresi gli esseri umani. Il carbonato di calcio CaCO3 è il componente principale dei gusci e dei gusci di molti invertebrati, gusci d'uovo, coralli e persino perle.

Applicazione

Il calcio metallico è usato abbastanza raramente. Fondamentalmente, questo metallo (così come il suo idruro) viene utilizzato nella produzione metallotermica di metalli difficili da recuperare: uranio, titanio, torio, zirconio, cesio, rubidio e un certo numero di terre rare dai loro composti (ossidi o alogenuri ). Il calcio è usato come agente riducente nella produzione di nichel, rame e acciaio inossidabile. Inoltre, il ventesimo elemento viene utilizzato per la disossidazione di acciai, bronzi e altre leghe, per la rimozione dello zolfo dai prodotti petroliferi, per la disidratazione dei solventi organici, per la purificazione dell'argon dalle impurità azotate e come assorbitore di gas sotto vuoto elettrico dispositivi. Il calcio metallico viene utilizzato nella produzione delle leghe antifrizione del sistema Pb-Na-Ca (usato nei cuscinetti), così come la lega Pb-Ca utilizzata per realizzare la guaina dei cavi elettrici. La lega di silicocalcio (Ca-Si-Ca) viene utilizzata come disossidante e degassante nella produzione di acciai di alta qualità. Il calcio è usato sia come elemento di lega per leghe di alluminio che come additivo modificante per leghe di magnesio. Ad esempio, l'introduzione del calcio aumenta la resistenza dei cuscinetti in alluminio. Il calcio puro viene utilizzato anche per drogare il piombo, che viene utilizzato per la produzione di piastre batteria, batterie al piombo-acido di avviamento esenti da manutenzione con bassa autoscarica. Inoltre, il calcio metallico viene utilizzato per la produzione di babbit di calcio di alta qualità BKA. Con l'aiuto del calcio, il contenuto di carbonio nella ghisa viene regolato e il bismuto viene rimosso dal piombo, ossigeno, zolfo e fosforo vengono purificati dall'acciaio. Il calcio, così come le sue leghe con alluminio e magnesio, sono utilizzati nelle batterie elettriche termiche di riserva come anodo (ad esempio, elemento cromato di calcio).

Tuttavia, i composti del ventesimo elemento sono molto più ampiamente utilizzati. E prima di tutto stiamo parlando di composti naturali del calcio. Uno dei composti di calcio più comuni sulla Terra è il carbonato di CaCO3. Il carbonato di calcio puro è il minerale calcite e calcare, gesso, marmo, roccia conchiglia - CaCO3 con impurità minori. Una miscela di carbonato di calcio e magnesio è chiamata dolomite. Il calcare e la dolomia sono utilizzati principalmente come materiali da costruzione, manti stradali o disacidi del suolo. Il carbonato di calcio CaCO3 è necessario per ottenere ossido di calcio (calce viva) CaO e idrossido di calcio (calce spenta) Ca(OH)2. A loro volta, CaO e Ca (OH) 2 sono le sostanze principali in molti settori dell'industria chimica, metallurgica e ingegneristica - l'ossido di calcio, sia in forma libera che come parte di miscele ceramiche, viene utilizzato nella produzione di materiali refrattari; volumi colossali di idrossido di calcio sono necessari all'industria della cellulosa e della carta. Inoltre, il Ca (OH) 2 viene utilizzato nella produzione di candeggina (un buon sbiancante e disinfettante), sale Berthollet, soda e alcuni pesticidi per controllare i parassiti delle piante. Un'enorme quantità di calce viene consumata nella produzione di acciaio - per rimuovere zolfo, fosforo, silicio e manganese. Un altro ruolo della calce nella metallurgia è la produzione di magnesio. La calce trova impiego anche come lubrificante nella trafilatura del filo d'acciaio e nella neutralizzazione dei liquidi di decapaggio dei rifiuti contenenti acido solforico. Inoltre, è la calce il reagente chimico più comune nel trattamento delle acque potabili e industriali (insieme ai sali di allume o di ferro, coagula le sospensioni e rimuove i sedimenti, inoltre addolcisce l'acqua rimuovendo temporaneamente - idrocarbonato - durezza). Nella vita di tutti i giorni e in medicina, il carbonato di calcio precipitato viene utilizzato come agente neutralizzante acido, un leggero abrasivo nei dentifrici, una fonte di calcio aggiuntivo nelle diete, un ingrediente nelle gomme da masticare e un riempitivo nei cosmetici. Il CaCO3 viene utilizzato anche come riempitivo in gomme, lattici, vernici e smalti e plastiche (circa il 10% in peso) per migliorarne la resistenza al calore, la rigidità, la durezza e la lavorabilità.

Di particolare importanza è il fluoruro di calcio CaF2, perché sotto forma di minerale (fluorite) è l'unica fonte di fluoro industrialmente importante! Il fluoruro di calcio (fluorite) viene utilizzato sotto forma di cristalli singoli nell'ottica (obiettivi astronomici, lenti, prismi) e come materiale laser. Il fatto è che solo i vetri al fluoruro di calcio sono permeabili all'intera regione dello spettro. Il tungstato di calcio (scheelite) sotto forma di cristalli singoli viene utilizzato nella tecnologia laser e anche come scintillatore. Non meno importante è il cloruro di calcio CaCl2, un componente delle salamoie per unità di refrigerazione e per il riempimento di pneumatici di trattori e altri veicoli. Con l'aiuto del cloruro di calcio, strade e marciapiedi vengono ripuliti dalla neve e dal ghiaccio, questo composto viene utilizzato per proteggere il carbone e il minerale dal congelamento durante il trasporto e lo stoccaggio, il legno viene impregnato della sua soluzione per renderlo resistente al fuoco. CaCl2 viene utilizzato nelle miscele di calcestruzzo per accelerare l'inizio della presa, aumentare la resistenza iniziale e finale del calcestruzzo.

Il carburo di calcio CaC2 ottenuto artificialmente (durante la calcinazione in forni elettrici di ossido di calcio con coke) viene utilizzato per ottenere acetilene e ridurre i metalli, nonché nella produzione di calciocianammide, che a sua volta rilascia ammoniaca sotto l'azione del vapore acqueo . Inoltre, il calciocianammide viene utilizzato per la produzione di urea, un prezioso fertilizzante e materia prima per la produzione di resine sintetiche. Riscaldando il calcio in atmosfera di idrogeno si ottiene il CaH2 (idruro di calcio), che viene utilizzato in metallurgia (metallotermia) e nella produzione di idrogeno in campo (da 1 chilogrammo di idruro di calcio si può ottenere più di un metro cubo di idrogeno ), che viene utilizzato, ad esempio, per riempire i fumetti. Nella pratica di laboratorio, l'idruro di calcio viene utilizzato come agente riducente energetico. L'insetticida arseniato di calcio, che si ottiene neutralizzando l'acido arsenico con la calce, è ampiamente usato per controllare il punteruolo del cotone, la tignola, il verme del tabacco e lo scarabeo della patata del Colorado. Importanti fungicidi sono gli spray al solfato di calce e le miscele bordolesi, ottenute da solfato di rame e idrossido di calcio.

Produzione

Il primo ad ottenere il calcio metallico fu il chimico inglese Humphry Davy. Nel 1808 produsse un'elettrolisi di una miscela di calce spenta bagnata Ca (OH) 2 con ossido di mercurio HgO su una lastra di platino che fungeva da anodo (un filo di platino immerso nel mercurio fungeva da catodo), a seguito della quale Davy ottenne un'amalgama di calcio estraendone il mercurio. , il chimico scoprì un nuovo metallo, che chiamò calcio.

Nell'industria moderna, il calcio metallico libero si ottiene per elettrolisi di una massa fusa di cloruro di calcio CaCl2, la cui proporzione è del 75-85% e cloruro di potassio KCl (è possibile utilizzare una miscela di CaCl2 e CaF2) o per riduzione alluminotermica di ossido di calcio CaO a una temperatura di 1 170-1 200 ° C. Il cloruro di calcio anidro puro necessario per l'elettrolisi si ottiene per clorurazione dell'ossido di calcio per riscaldamento in presenza di carbone o per disidratazione del CaCl2 ∙ 6H2O ottenuto per azione dell'acido cloridrico sul calcare. Il processo elettrolitico avviene in un bagno di elettrolisi, in cui vengono posti un sale di cloruro di calcio secco e purificato e cloruro di potassio, necessario per abbassare il punto di fusione della miscela. I blocchi di grafite sono posti sopra il bagno: un anodo, un bagno in ghisa o acciaio riempito con una lega di rame-calcio, funge da catodo. Nel processo di elettrolisi il calcio passa nella lega rame-calcio, arricchendola notevolmente, una parte della lega arricchita viene costantemente rimossa, invece viene aggiunta una lega impoverita di calcio (30-35% Ca), contemporaneamente cloro forma una miscela cloro-aria (gas anodi), che successivamente va alla clorazione del latte di calce. La lega rame-calcio arricchita può essere utilizzata direttamente come lega o avviata alla purificazione (distillazione), dove viene distillata sotto vuoto (alla temperatura di 1000-1080°C ed una pressione residua di 13-20 kPa) da cui si ottiene il calcio di purezza nucleare. Per ottenere calcio di elevata purezza, viene distillato due volte. Il processo di elettrolisi viene effettuato ad una temperatura di 680-720 °C. Il fatto è che questa è la temperatura più ottimale per il processo elettrolitico: a una temperatura più bassa, la lega arricchita di calcio galleggia sulla superficie dell'elettrolita e, a una temperatura più elevata, il calcio si dissolve nell'elettrolita con la formazione di CaCl. Durante l'elettrolisi con catodi liquidi, le leghe di calcio e piombo o calcio e zinco vengono utilizzate direttamente in ingegneria per ottenere leghe di calcio con piombo (per cuscinetti) e con zinco (per produrre calcestruzzo espanso - quando la lega interagisce con l'umidità, viene rilasciato idrogeno e si crea una struttura porosa). A volte il processo viene eseguito con un catodo raffreddato a ferro, che è a contatto solo con la superficie dell'elettrolita fuso. Man mano che il calcio viene rilasciato, il catodo viene gradualmente sollevato, un'asta (50-60 cm) di calcio viene estratta dalla massa fusa, protetta dall'ossigeno atmosferico da uno strato di elettrolita solidificato. Il “metodo del tocco” viene utilizzato per ottenere calcio fortemente contaminato da cloruro di calcio, ferro, alluminio, sodio, la purificazione avviene per rifusione in atmosfera di argon.

Un altro metodo per ottenere il calcio - metallotermico - fu teoricamente confermato già nel 1865 dal famoso chimico russo N. N. Beketov. Il metodo alluminotermico si basa sulla reazione:

6CaO + 2Al → 3CaO Al2O3 + 3Ca

I bricchetti vengono pressati da una miscela di ossido di calcio con polvere di alluminio, vengono posti in una storta di acciaio al cromo-nichel e il calcio risultante viene distillato a 1170-1200 ° C e una pressione residua di 0,7-2,6 Pa. Il calcio si ottiene sotto forma di vapore, che viene poi condensato su una superficie fredda. Il metodo alluminotermico per ottenere il calcio è utilizzato in Cina, Francia e numerosi altri paesi. Su scala industriale, il metodo metallotermico per ottenere il calcio è stato il primo ad essere utilizzato dagli Stati Uniti durante la seconda guerra mondiale. Allo stesso modo, il calcio può essere ottenuto per riduzione di CaO con ferrosilicio o silicoalluminio. Il calcio viene prodotto sotto forma di lingotti o fogli con una purezza del 98-99%.

Pro e contro esistono in entrambi i metodi. Il metodo elettrolitico è multioperativo, ad alta intensità energetica (40-50 kWh di energia vengono consumati per 1 kg di calcio), inoltre, non è sicuro per l'ambiente, richiede una grande quantità di reagenti e materiali. Tuttavia, la resa in calcio con questo metodo è del 70-80%, mentre con il metodo alluminotermico la resa è solo del 50-60%. Inoltre, con il metodo metallotermico per ottenere il calcio, il meno è che è necessario eseguire distillazioni ripetute e il vantaggio è nel basso consumo energetico e in assenza di emissioni nocive di gas e liquidi.

Non molto tempo fa è stato sviluppato un nuovo metodo per ottenere il calcio metallico: si basa sulla dissociazione termica del carburo di calcio: il carburo riscaldato sotto vuoto a 1.750 ° C si decompone con la formazione di vapore di calcio e grafite solida.

Fino alla metà del 20° secolo il calcio metallico veniva prodotto in quantità molto ridotte, poiché non veniva quasi mai utilizzato. Ad esempio, negli Stati Uniti d'America durante la seconda guerra mondiale non sono state consumate più di 25 tonnellate di calcio e in Germania solo 5-10 tonnellate. Solo nella seconda metà del 20° secolo, quando divenne chiaro che il calcio è un agente riducente attivo di molti metalli rari e refrattari, si ebbe un rapido aumento dei consumi (circa 100 tonnellate all'anno) e, di conseguenza, la produzione di questo metallo inizia. Con lo sviluppo dell'industria nucleare, dove il calcio viene utilizzato come componente della riduzione metallotermica dell'uranio dal tetrafluoruro di uranio (ad eccezione degli USA, dove viene utilizzato il magnesio al posto del calcio), la domanda (circa 2.000 tonnellate all'anno) per l'elemento numero venti, così come la sua produzione, è aumentata molte volte. Al momento, Cina, Russia, Canada e Francia possono essere considerati i principali produttori di calcio metallico. Da questi paesi il calcio viene inviato negli USA, Messico, Australia, Svizzera, Giappone, Germania, Gran Bretagna. Il prezzo del calcio metallico è aumentato costantemente fino a quando la Cina ha iniziato a produrre il metallo in volumi tali che un'eccedenza del ventesimo elemento è apparso sul mercato mondiale, il che ha portato a un forte calo del prezzo.

Proprietà fisiche

Cos'è il calcio metallico? Quali sono le proprietà di questo elemento, ottenuto nel 1808 dal chimico inglese Humphrey Davy, un metallo la cui massa nel corpo di un adulto può arrivare fino a 2 chilogrammi?

La semplice sostanza calcio è un metallo leggero bianco argenteo. La densità del calcio è di soli 1,54 g/cm3 (a una temperatura di 20 °C), che è significativamente inferiore alla densità del ferro (7,87 g/cm3), del piombo (11,34 g/cm3), dell'oro (19,3 g/cm3). ) o platino (21,5 g/cm3). Il calcio è persino più leggero di metalli "senza peso" come l'alluminio (2,70 g/cm3) o il magnesio (1,74 g/cm3). Pochi metalli possono "vantare" una densità inferiore a quella del ventesimo elemento: sodio (0,97 g/cm3), potassio (0,86 g/cm3), litio (0,53 g/cm3). In termini di densità, il calcio è molto simile al rubidio (1,53 g/cm3). Il punto di fusione del calcio è 851 °C, il punto di ebollizione è 1480 °C. Simili punti di fusione (sebbene leggermente inferiori) e di ebollizione per altri metalli alcalino terrosi sono lo stronzio (770 °C e 1380 °C) e il bario (710 °C e 1640 °C).

Il calcio metallico esiste in due modificazioni allotropiche: a temperature normali fino a 443 ° C, l'α-calcio è stabile con un reticolo cubico a facce centrate di tipo rame, con parametri: a = 0,558 nm, z = 4, gruppo spaziale Fm3m, raggio atomico 1,97 A, raggio ionico Ca2+ 1,04 A; nell'intervallo di temperatura 443-842 °C, il β-calcio è stabile con un reticolo cubico centrato sul corpo di tipo α-ferro, con parametri a = 0,448 nm, z = 2, gruppo spaziale Im3m. L'entalpia standard di transizione dalla modifica α alla modifica β è 0,93 kJ/mol. Il coefficiente di temperatura di espansione lineare per il calcio nell'intervallo di temperatura 0-300 °C è 22 10-6. La conducibilità termica del ventesimo elemento a 20 °C è 125,6 W/(m K) o 0,3 cal/(cm sec °C). La capacità termica specifica del calcio nell'intervallo da 0 a 100°C è 623,9 J/(kg K) o 0,149 cal/(g°C). La resistività elettrica del calcio a 20°C è di 4,6 10-8 ohm mo 4,6 10-6 ohm cm; coefficiente di temperatura della resistenza elettrica dell'elemento numero venti 4,57 10-3 (a 20 °C). Modulo di elasticità del calcio 26 Gn/m2 o 2600 kgf/mm2; carico di rottura 60 Mn/m2 (6 kgf/mm2); il limite elastico per il calcio è 4 MN / m2 o 0,4 kgf / mm2, il carico di snervamento è 38 MN / m2 (3,8 kgf / mm2); allungamento relativo del ventesimo elemento 50%; Durezza calcio Brinell 200-300 MN/m2 o 20-30 kgf/mm2. Con un graduale aumento della pressione, il calcio inizia a mostrare le proprietà di un semiconduttore, ma non lo diventa nel pieno senso della parola (anch'esso non è più un metallo). Con un ulteriore aumento della pressione, il calcio ritorna allo stato metallico e inizia a mostrare proprietà superconduttive (la temperatura di superconduttività è sei volte superiore a quella del mercurio e supera di gran lunga la conduttività di tutti gli altri elementi). Il comportamento unico del calcio è simile per molti versi allo stronzio (cioè i paralleli nella tavola periodica sono preservati).

Le proprietà meccaniche del calcio elementare non differiscono da quelle degli altri membri della famiglia dei metalli, che sono ottimi materiali strutturali: il calcio metallico di elevata purezza è duttile, ben pressato e laminato, trafilato in un filo, forgiato e suscettibile di taglio - può essere girato al tornio. Tuttavia, nonostante tutte queste eccellenti qualità di un materiale strutturale, il calcio non è tale: la ragione di tutto è la sua elevata attività chimica. È vero, non bisogna dimenticare che il calcio è un materiale strutturale indispensabile del tessuto osseo e i suoi minerali sono stati un materiale da costruzione per molti millenni.

Proprietà chimiche

La configurazione del guscio elettronico esterno dell'atomo di calcio è 4s2, che determina la valenza di 2 del ventesimo elemento nei composti. I due elettroni dello strato esterno sono relativamente facilmente separati dagli atomi, che vengono poi convertiti in ioni positivi a doppia carica. Per questo motivo, in termini di attività chimica, il calcio è solo leggermente inferiore ai metalli alcalini (potassio, sodio, litio). Come quest'ultimo, il calcio già a temperatura ambiente normale interagisce facilmente con ossigeno, anidride carbonica e aria umida, pur essendo ricoperto da una pellicola grigio opaco da una miscela di ossido di CaO e idrossido di Ca (OH) 2 . Pertanto, il calcio viene conservato in un recipiente ermeticamente chiuso sotto uno strato di olio minerale, paraffina liquida o cherosene. Se riscaldato in ossigeno e aria, il calcio si accende, bruciando con una fiamma rossa brillante e si forma l'ossido di base CaO, che è una sostanza bianca e altamente infiammabile, il cui punto di fusione è di circa 2.600 ° C. L'ossido di calcio è anche noto nella tecnica come calce viva o calce bruciata. Sono stati ottenuti anche perossidi di calcio - CaO2 e CaO4 -. Il calcio reagisce con l'acqua con il rilascio di idrogeno (nella serie dei potenziali standard, il calcio si trova a sinistra dell'idrogeno ed è in grado di spostarlo dall'acqua) e la formazione di idrossido di calcio Ca (OH) 2, e in acqua fredda la velocità di reazione diminuisce gradualmente (a causa della formazione di uno strato leggermente solubile sulla superficie metallica di idrossido di calcio):

Ca + 2H2O → Ca(OH)2 + H2 + Q

Il calcio interagisce più vigorosamente con l'acqua calda, spostando rapidamente l'idrogeno e formando Ca(OH)2. L'idrossido di calcio Ca (OH) 2 è una base forte, leggermente solubile in acqua. Una soluzione satura di idrossido di calcio è chiamata acqua di calce ed è alcalina. Nell'aria, l'acqua di calce diventa rapidamente torbida a causa dell'assorbimento di anidride carbonica e della formazione di carbonato di calcio insolubile. Nonostante tali processi violenti che si verificano durante l'interazione del ventesimo elemento con l'acqua, tuttavia, a differenza dei metalli alcalini, la reazione dell'interazione del calcio con l'acqua procede in modo meno vigoroso, senza esplosioni e accensioni. In generale, la reattività del calcio è inferiore a quella di altri metalli alcalino terrosi.

Il calcio si combina attivamente con gli alogeni, formando così composti del tipo CaX2: reagisce con il fluoro a freddo e con cloro e bromo a temperature superiori a 400 ° C, dando rispettivamente CaF2, CaCl2 e CaBr2. Questi alogenuri allo stato fuso si formano con monoalogenuri di calcio del tipo CaX - CaF, CaCl, in cui il calcio è formalmente monovalente. Questi composti sono stabili solo al di sopra dei punti di fusione dei dialogenuri (si sproporzionano al raffreddamento per formare Ca e CaX2). Inoltre, il calcio interagisce attivamente, soprattutto se riscaldato, con vari non metalli: quando riscaldato con zolfo si ottiene solfuro di calcio CaS, quest'ultimo attacca lo zolfo, formando polisolfuri (CaS2, CaS4 e altri); interagendo con l'idrogeno secco a una temperatura di 300-400 ° C, il calcio forma un idruro CaH2, un composto ionico in cui l'idrogeno è un anione. L'idruro di calcio CaH2 è una sostanza simile al sale bianco che reagisce violentemente con l'acqua per rilasciare idrogeno:

CaH2 + 2H2O → Ca(OH)2 + 2H2

Se riscaldato (circa 500 ° C) in un'atmosfera di azoto, il calcio si accende e forma nitruro di Ca3N2, noto in due forme cristalline: α ad alta temperatura e β a bassa temperatura. Il nitruro Ca3N4 è stato anche ottenuto riscaldando la calcio ammide Ca(NH2)2 sotto vuoto. Se riscaldato senza accesso all'aria con grafite (carbonio), silicio o fosforo, il calcio fornisce, rispettivamente, carburo di calcio CaC2, siliciuri Ca2Si, Ca3Si4, CaSi, CaSi2 e fosfuri Ca3P2, CaP e CaP3. La maggior parte dei composti di calcio con non metalli sono facilmente decomposti dall'acqua:

CaH2 + 2H2O → Ca(OH)2 + 2H2

Ca3N2 + 6H2O → 3Ca(OH)2 + 2NH3

Con il boro, il calcio forma boruro di calcio CaB6, con calcogeni - calcogenuri CaS, CaSe, CaTe. Sono noti anche i policalcogenuri CaS4, CaS5, Ca2Te3. Il calcio forma composti intermetallici con vari metalli: alluminio, oro, argento, rame, piombo e altri. Essendo un agente riducente energetico, il calcio sposta quasi tutti i metalli dai loro ossidi, solfuri e alogenuri quando riscaldato. Il calcio si dissolve bene nell'ammoniaca liquida NH3 con la formazione di una soluzione blu, la cui evaporazione rilascia ammoniaca [Ca (NH3) 6] - un composto solido di colore dorato con conduttività metallica. I sali di calcio sono generalmente ottenuti dall'interazione di ossidi acidi con ossido di calcio, dall'azione degli acidi su Ca(OH)2 o CaCO3 e da reazioni di scambio in soluzioni acquose di elettroliti. Molti sali di calcio sono altamente solubili in acqua (CaCl2 cloruro, CaBr2 bromuro, CaI2 ioduro e Ca(NO3)2 nitrato), quasi sempre formano idrati cristallini. Il fluoruro di CaF2, il carbonato di CaCO3, il solfato di CaSO4, l'ortofosfato di Ca3(PO4)2, l'ossalato di CaC2O4 e alcuni altri sono insolubili in acqua.

Calcio

CALCIO-IO; m.[dal lat. calx (calcis) - lime] Un elemento chimico (Ca), un metallo bianco-argento che fa parte del calcare, del marmo, ecc.

◁ Calcio, th, th. sali K.

calcio

(lat. Calcio), elemento chimico del gruppo II del sistema periodico, appartiene ai metalli alcalino terrosi. Nome dal lat. calx, genitivo calcis - lime. Metallo bianco argento, densità 1,54 g/cm 3, t pl 842ºC. A temperatura normale si ossida facilmente all'aria. In termini di prevalenza nella crosta terrestre, occupa il 5° posto (minerali calcite, gesso, fluorite, ecc.). Come agente riducente attivo, viene utilizzato per ottenere U, Th, V, Cr, Zn, Be e altri metalli dai loro composti, per disossidare acciai, bronzi, ecc. È incluso nella composizione dei materiali antifrizione. I composti di calcio sono usati nelle costruzioni (calce, cemento), preparati di calcio - in medicina.

CALCIO

CALCIO (lat. Calcio), Ca (leggi "calcio"), un elemento chimico con numero atomico 20, si trova nel quarto periodo nel gruppo IIA del sistema periodico degli elementi di Mendeleev; massa atomica 40.08. Appartiene al numero di elementi alcalino terrosi (centimetro. METALLI ALCALINI TERRESTRI).
Il calcio naturale è costituito da una miscela di nuclidi (centimetro. NUCLIDE) con i numeri di massa 40 (in una miscela di massa 96,94%), 44 (2,09%), 42 (0,667%), 48 (0,187%), 43 (0,135%) e 46 (0,003%). Configurazione dello strato di elettroni esterno 4 S 2 . In quasi tutti i composti, lo stato di ossidazione del calcio è +2 (valenza II).
Il raggio dell'atomo di calcio neutro è 0,1974 nm, il raggio dello ione Ca 2+ va da 0,114 nm (per il numero di coordinazione 6) a 0,148 nm (per il numero di coordinazione 12). Le energie di ionizzazione sequenziale di un atomo di calcio neutro sono rispettivamente 6,133, 11,872, 50,91, 67,27 e 84,5 eV. Sulla scala Pauling, l'elettronegatività del calcio è di circa 1,0. Nella sua forma libera, il calcio è un metallo bianco argenteo.
Storia della scoperta
I composti del calcio si trovano ovunque in natura, quindi l'umanità li conosce fin dai tempi antichi. La calce è stata utilizzata per molto tempo nel settore edile. (centimetro. LIME)(calce viva e spenta), che per molto tempo è stata considerata una sostanza semplice, "terra". Tuttavia, nel 1808 lo scienziato inglese G. Davy (centimetro. DEVI Humphrey) riuscì a ottenere un nuovo metallo dalla calce. Per fare ciò, Davy sottopose all'elettrolisi una miscela di grassello di calce leggermente inumidita con ossido di mercurio e isolò un nuovo metallo dall'amalgama formata sul catodo di mercurio, che chiamò calcio (dal latino calx, genere case calcis - lime). In Russia, per qualche tempo questo metallo è stato chiamato "calcare".
Essere nella natura
Il calcio è uno degli elementi più abbondanti sulla terra. Rappresenta il 3,38% della massa della crosta terrestre (5° posto in abbondanza dopo ossigeno, silicio, alluminio e ferro). A causa dell'elevata attività chimica del calcio in forma libera in natura non si trova. La maggior parte del calcio si trova nei silicati. (centimetro. SILICATI) e alluminosilicati (centimetro. ALUMOSILICATI) rocce varie (graniti (centimetro. GRANITO), gneis (centimetro. GNEISS) eccetera.). Sotto forma di rocce sedimentarie, i composti del calcio sono rappresentati da gesso e calcare, costituiti principalmente dal minerale calcite. (centimetro. CALCITE)(CaCO3). La forma cristallina della calcite - marmo - si trova in natura molto meno frequentemente.
I minerali di calcio come il calcare sono abbastanza diffusi. (centimetro. CALCARE)СaCO 3 , anidrite (centimetro. ANIDRITE) CaSO 4 e gesso (centimetro. GESSO) CaSO 4 2H 2 O, fluorite (centimetro. FLUORITE) CaF 2 , apatite (centimetro. Apatite) Ca 5 (PO 4) 3 (F, Cl, OH), dolomite (centimetro. DOLOMITE) MgCO 3 CaCO 3. La presenza di sali di calcio e magnesio nell'acqua naturale ne determina la durezza. (centimetro. DUREZZA DELL'ACQUA). Una quantità significativa di calcio fa parte degli organismi viventi. Quindi, idrossiapatite Ca 5 (PO 4) 3 (OH) o, in un'altra voce, 3Ca 3 (PO 4) 2 Ca (OH) 2 - la base del tessuto osseo dei vertebrati, compreso l'uomo; gusci e gusci di molti invertebrati, gusci d'uovo, ecc. sono fatti di carbonato di calcio CaCO 3.
Ricevuta
Il calcio metallico si ottiene per elettrolisi di una massa fusa costituita da CaCl 2 (75-80%) e KCl o da CaCl 2 e CaF 2, nonché per riduzione alluminotermica di CaO a 1170-1200 °C:
4CaO + 2Al = CaAl 2 O 4 + 3Ca.
Proprietà fisiche e chimiche
Il calcio metallico esiste in due modificazioni allotropiche (vedi Allotropy (centimetro. ALLOTROPIA)). Fino a 443 °C, a-Ca con reticolo cubico centrato sulla faccia è stabile (parametro a = 0,558 nm), b-Ca superiore è stabile con reticolo cubico centrato sul corpo di tipo a-Fe (parametro a = 0,448 nm). Il punto di fusione del calcio è 839 ° C, il punto di ebollizione è 1484 ° C, la densità è 1,55 g / cm 3.
L'attività chimica del calcio è elevata, ma inferiore a quella di tutti gli altri metalli alcalino terrosi. Reagisce facilmente con l'ossigeno, l'anidride carbonica e l'umidità nell'aria, a causa della quale la superficie del calcio metallico è solitamente di colore grigio opaco, quindi il calcio viene solitamente conservato in laboratorio, come altri metalli alcalino terrosi, in un barattolo ben chiuso sotto uno strato di cherosene.
Nella serie dei potenziali standard, il calcio si trova a sinistra dell'idrogeno. Il potenziale dell'elettrodo standard della coppia Ca 2+ /Ca 0 è -2,84 V, in modo che il calcio reagisca attivamente con l'acqua:
Ca + 2H 2 O \u003d Ca (OH) 2 + H 2.
Con i non metalli attivi (ossigeno, cloro, bromo), il calcio reagisce in condizioni normali:
2Ca + O 2 \u003d 2CaO; Ca + Br 2 \u003d CaBr 2.
Se riscaldato in aria o ossigeno, il calcio si accende. Con non metalli meno attivi (idrogeno, boro, carbonio, silicio, azoto, fosforo e altri), il calcio interagisce quando riscaldato, ad esempio:
Ca + H 2 \u003d CaH 2 (idruro di calcio),
Ca + 6B = CaB 6 (boruro di calcio),
3Ca + N 2 = Ca 3 N 2 (nitruro di calcio)
Ca + 2C \u003d CaC 2 (carburo di calcio)
3Ca + 2P = Ca 3 P 2 (fosfuro di calcio), sono anche noti fosfuri di calcio delle composizioni di CaP e CaP 5;
2Ca + Si \u003d Ca 2 Si (siliciuro di calcio), sono anche noti siliciuri di calcio delle composizioni CaSi, Ca 3 Si 4 e CaSi 2.
Il corso delle reazioni di cui sopra, di regola, è accompagnato dal rilascio di una grande quantità di calore (cioè queste reazioni sono esotermiche). In tutti i composti con non metalli, lo stato di ossidazione del calcio è +2. La maggior parte dei composti di calcio con non metalli vengono facilmente decomposti dall'acqua, ad esempio:
CaH 2 + 2H 2 O \u003d Ca (OH) 2 + 2H 2,
Ca 3 N 2 + 3H 2 O \u003d 3Ca (OH) 2 + 2NH 3.
L'ossido di calcio è tipicamente basico. In laboratorio e tecnologia, si ottiene per decomposizione termica dei carbonati:
CaCO 3 \u003d CaO + CO 2.
L'ossido di calcio tecnico CaO è chiamato calce viva.
Reagisce con l'acqua per formare Ca (OH) 2 e rilasciare una grande quantità di calore:
CaO + H 2 O \u003d Ca (OH) 2.
Il Ca (OH) 2 così ottenuto è chiamato solitamente calce spenta o latte di lime (centimetro. LATTE DI CALCE) a causa del fatto che la solubilità dell'idrossido di calcio in acqua è bassa (0,02 mol / l a 20 ° C) e quando viene aggiunto all'acqua si forma una sospensione bianca.
Quando interagisce con ossidi acidi, CaO forma sali, ad esempio:
CaO + CO 2 \u003d CaCO 3; CaO + SO 3 \u003d CaSO 4.
Lo ione Ca 2+ è incolore. Quando i sali di calcio vengono aggiunti alla fiamma, la fiamma diventa rosso mattone.
I sali di calcio come CaCl 2 cloruro, CaBr 2 bromuro, CaI 2 ioduro e Ca(NO 3) 2 nitrato sono altamente solubili in acqua. CaF 2 fluoruro, CaCO 3 carbonato, CaSO 4 solfato, Ca 3 (PO 4) 2 ortofosfato medio, CaC 2 O 4 ossalato e alcuni altri sono insolubili in acqua.
Di grande importanza è il fatto che, a differenza del carbonato di calcio medio CaCO 3, il carbonato di calcio acido (idrocarbonato) Ca (HCO 3) 2 è solubile in acqua. In natura, questo porta ai seguenti processi. Quando la pioggia fredda o l'acqua di fiume, satura di anidride carbonica, penetra nel sottosuolo e cade sui calcari, si osserva la loro dissoluzione:
CaCO 3 + CO 2 + H 2 O \u003d Ca (HCO 3) 2.
Negli stessi luoghi in cui l'acqua satura di bicarbonato di calcio affiora sulla superficie terrestre e viene riscaldata dai raggi solari, si verifica la reazione inversa:
Ca (HCO 3) 2 \u003d CaCO 3 + CO 2 + H 2 O.
Quindi in natura c'è un trasferimento di grandi masse di sostanze. Di conseguenza, nel sottosuolo possono formarsi enormi avvallamenti (vedi Carso (centimetro. Carso (fenomeno naturale))), e bellissimi "ghiaccioli" di pietra: nelle grotte si formano stalattiti (centimetro. STALAPTITI (formazioni minerali)) e stalagmiti (centimetro. STAAGMITI).
La presenza di bicarbonato di calcio disciolto nell'acqua determina in gran parte la durezza temporanea dell'acqua. (centimetro. DUREZZA DELL'ACQUA). Si chiama temporaneo perché quando l'acqua viene fatta bollire, il bicarbonato si decompone e CaCO 3 precipita. Questo fenomeno porta, ad esempio, al fatto che nel tempo si formano delle squame nel bollitore.
L'uso del calcio e dei suoi composti
Il calcio metallico viene utilizzato per la produzione metallotermica di uranio (centimetro. Uranio (elemento chimico)), torio (centimetro. TORIO), titanio (centimetro. TITANIO (elemento chimico)), zirconio (centimetro. ZIRCONIO), cesio (centimetro. CESIO) e rubidio (centimetro. RUBIDIO).
I composti naturali del calcio sono ampiamente utilizzati nella produzione di leganti (cemento (centimetro. CEMENTO), gesso (centimetro. GESSO), lime, ecc.). L'effetto legante della calce spenta si basa sul fatto che nel tempo l'idrossido di calcio reagisce con l'anidride carbonica nell'aria. Come risultato della reazione in corso, si formano cristalli aghiformi di calcite CaCO3, che crescono in pietre, mattoni e altri materiali da costruzione vicini e, per così dire, li saldano in un unico insieme. Carbonato di calcio cristallino - marmo - materiale di finitura pregiata. Il gesso è usato per imbiancare. Nella produzione di ghisa vengono consumate grandi quantità di calcare, poiché consentono di trasferire le impurità refrattarie del minerale di ferro (ad esempio quarzo SiO 2) in scorie a punto di fusione relativamente basso.
La candeggina è molto efficace come disinfettante. (centimetro. DECOLORANTE IN POLVERE)- “cloro” Ca(OCl)Cl - cloruro misto e ipoclorito di calcio (centimetro. IPOCLORITO DI CALCIO) ad alto potere ossidante.
Molto utilizzato è anche il solfato di calcio, esistente sia sotto forma di composto anidro che sotto forma di idrati cristallini - il cosiddetto solfato "semi-acquoso" - alabastro (centimetro. ALEVIZ FRYAZIN (Milanese) CaSO 4 0,5H 2 O e due solfato d'acqua - gesso CaSO 4 2H 2 O. Il gesso è ampiamente utilizzato nell'edilizia, nella scultura, per la fabbricazione di stucchi e vari prodotti artistici. Il gesso è anche usato in medicina per riparare le ossa in caso di fratture.
Il cloruro di calcio CaCl 2 viene utilizzato insieme al sale da cucina per combattere il ghiaccio delle superfici stradali. Il fluoruro di calcio CaF 2 è un eccellente materiale ottico.
calcio nel corpo
Il calcio è un elemento biogenico (centimetro. ELEMENTI BIOGENICI), costantemente presente nei tessuti di piante e animali. Componente importante del metabolismo minerale degli animali e dell'uomo e della nutrizione minerale delle piante, il calcio svolge una varietà di funzioni nel corpo. Contiene apatite (centimetro. Apatite), così come il solfato di calcio e il carbonato costituiscono la componente minerale del tessuto osseo. Il corpo umano che pesa 70 kg contiene circa 1 kg di calcio. Il calcio è coinvolto nel lavoro dei canali ionici (centimetro. CANALI IONICI), effettuando il trasporto di sostanze attraverso membrane biologiche, nella trasmissione di un impulso nervoso (centimetro. IMPULSO NERVOSO), nel processo di coagulazione del sangue (centimetro. COAGULAZIONE DEL SANGUE) e fecondazione. I calciferoli regolano il metabolismo del calcio nel corpo (centimetro. CALCIFEROLI)(vitamina D). La mancanza o l'eccesso di calcio porta a varie malattie: il rachitismo (centimetro. RACHITISMO), calcificazione (centimetro. CALCINOSI) ecc. Pertanto, il cibo umano dovrebbe contenere composti di calcio nelle giuste quantità (800-1500 mg di calcio al giorno). Il contenuto di calcio è alto nei prodotti lattiero-caseari (come ricotta, formaggio, latte), in alcune verdure e altri alimenti. I preparati di calcio sono ampiamente usati in medicina.

dizionario enciclopedico. 2009 .

Sinonimi:

introduzione

Proprietà e usi del calcio

1 Proprietà fisiche

2 Proprietà chimiche

3 Applicazione

Ottenere calcio

1 Produzione elettrolitica di calcio e sue leghe

2 Preparazione termica

3 Metodo sottovuoto-termico per ottenere il calcio

3.1 Metodo alluminotermico di riduzione del calcio

3.2 Metodo silicotermico di riduzione del calcio

Parte pratica

Bibliografia

introduzione

Elemento chimico del gruppo II del sistema periodico di Mendeleev, numero atomico 20, massa atomica 40,08; metallo leggero bianco argento. Un elemento naturale è una miscela di sei isotopi stabili: 40Circa, 42Circa, 43Circa, 44Circa, 46Ca e 48Ca, di cui 40 è il più comune Ca (96,97%).

I composti di Ca - calcare, marmo, gesso (così come la calce - un prodotto della combustione del calcare) sono stati usati nelle costruzioni fin dall'antichità. Fino alla fine del 18° secolo i chimici consideravano la calce un semplice solido. Nel 1789, A. Lavoisier suggerì che calce, magnesia, barite, allumina e silice sono sostanze complesse. Nel 1808 G. Davy, sottoponendo ad elettrolisi con catodo di mercurio una miscela di grassello di calce bagnata con ossido di mercurio, preparò un amalgama di Ca e, dopo averne espulso il mercurio, ottenne un metallo chiamato "Calcium" (dal latino calx , genere caso calcis - lime) .

La capacità del calcio di legare ossigeno e azoto ha permesso di utilizzarlo per la pulizia di gas inerti e come getter (un getter è una sostanza che serve ad assorbire i gas e creare un vuoto profondo nei dispositivi elettronici.) nelle apparecchiature radio del vuoto.

Il calcio trova impiego anche nella metallurgia del rame, nichel, acciai speciali e bronzi; sono associati a impurità nocive di zolfo, fosforo, carbonio in eccesso. Per gli stessi scopi vengono utilizzate leghe di calcio con silicio, litio, sodio, boro e alluminio.

Nell'industria, il calcio si ottiene in due modi:

) Riscaldando una miscela bricchettata di CaO e polvere di Al a 1200°C in un vuoto di 0,01 - 0,02 mm. rt. Arte.; rilasciato dalla reazione:

CaO + 2Al = 3CaO Al2O3 + 3Ca

Il vapore di calcio condensa su una superficie fredda.

) Per elettrolisi di una fusione di CaCl2 e KCl con un catodo di rame-calcio liquido, si prepara una lega di Cu - Ca (65% Ca), da cui il calcio viene distillato a una temperatura di 950 - 1000 ° C sotto vuoto di 0,1 - 0,001 mm Hg.

) È stato anche sviluppato un metodo per ottenere calcio mediante dissociazione termica del carburo di calcio CaC2.

Il calcio è molto comune in natura sotto forma di vari composti. Nella crosta terrestre, occupa il quinto posto, rappresentando il 3,25%, e si trova più spesso sotto forma di calcare CaCO 3, dolomite CaCO 3MgCO 3, gesso CaSO 42H 2O, fosforite ca 3(PO 4)2 e fluorite CaF 2, senza contare una percentuale significativa di calcio nella composizione delle rocce silicatiche. L'acqua di mare contiene in media lo 0,04% (in peso) di calcio.

In questo corso vengono studiate le proprietà e l'applicazione del calcio, nonché la teoria e la tecnologia dei metodi termo-vuoto per la sua produzione.

. Proprietà e usi del calcio

.1 Proprietà fisiche

Il calcio è un metallo bianco argenteo, ma si appanna nell'aria a causa della formazione di un ossido sulla sua superficie. È un metallo duttile più duro del piombo. Cella di cristallo ?-forma Ca (stabile a temperatura ordinaria) cubica a facce centrate, a = 5,56 Å . Raggio atomico 1,97 Å , raggio ionico Ca 2+, 1,04Å . Densità 1,54 g/cm 3(20°C). Esagonale stabile sopra 464 °C ?-il modulo. mp 851 °C, cucchiaio da tavola 1482 °C; coefficiente di temperatura di dilatazione lineare 22 10 -6 (0-300°C); conducibilità termica a 20 °C 125,6 W/(m K) o 0,3 cal/(cm s °C); capacità termica specifica (0-100 °C) 623,9 j/(kg K) o 0,149 cal/(g °C); resistività elettrica a 20 °C 4,6 10 -8ohm mo 4,6 10 -6 ohm cm; coefficiente di temperatura della resistenza elettrica 4,57 10-3 (20 °C). Modulo elastico 26 Gn/m 2(2600 kgf/mm 2); resistenza alla trazione 60 MN/m 2(6 kgf/mm 2); limite elastico 4 MN/m 2(0,4 kgf/mm 2), limite di snervamento 38 MN/m 2(3,8 kgf/mm 2); allungamento 50%; Durezza Brinell 200-300 MN/m 2(20-30 kgf/mm 2). Il calcio di purezza sufficientemente elevata è plastico, ben pressato, laminato e può essere lavorato a macchina.

1.2 Proprietà chimiche

Il calcio è un metallo attivo. Quindi, in condizioni normali, interagisce facilmente con l'ossigeno atmosferico e gli alogeni:

Ca+O 2= 2 CaO (ossido di calcio) (1)

Ca + Fr 2= CaBr 2(bromuro di calcio). (2)

Con idrogeno, azoto, zolfo, fosforo, carbonio e altri non metalli, il calcio reagisce quando riscaldato:

Ca + H 2= CaH 2(idruro di calcio) (3)

Ca + N 2= ca 3N 2(nitruro di calcio) (4)

Ca + S = CaS (solfuro di calcio) (5)

Ca + 2 P \u003d Ca 3R 2(fosfuro di calcio) (6)

Ca + 2 C \u003d CaC 2 (carburo di calcio) (7)

Il calcio interagisce lentamente con l'acqua fredda e molto vigorosamente con l'acqua calda, dando una forte base Ca (OH) 2 :

Ca + 2 H 2O \u003d Ca (OH) 2 + H 2 (8)

Essendo un riducente energetico, il calcio può sottrarre ossigeno o alogeni da ossidi e alogenuri di metalli meno attivi, ha cioè proprietà riducenti:

Ca + Nb 2O5 = CaO + 2 Nb; (9)

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

Il calcio reagisce vigorosamente con gli acidi rilasciando idrogeno, reagisce con gli alogeni, con l'idrogeno secco formando idruro di CaH 2. Quando il calcio viene riscaldato con grafite, si forma carburo di CaC 2. Il calcio si ottiene per elettrolisi del CaCl fuso 2o riduzione alluminotermica in vuoto:

6СаО + 2Al = 3Ca + 3CaO Al2 o 3 (11)

Il metallo puro viene utilizzato per ridurre i composti Cs, Rb, Cr, V, Zr, Th, U in metalli, per la disossidazione dell'acciaio.

1.3 Applicazione

Il calcio è sempre più utilizzato in vari settori. Recentemente, ha acquisito grande importanza come agente riducente nella produzione di numerosi metalli.

Metallo puro. L'uranio si ottiene riducendo il fluoruro di uranio con calcio metallico. Gli ossidi di titanio, così come gli ossidi di zirconio, torio, tantalio, niobio e altri metalli rari possono essere ridotti con il calcio o i suoi idruri.

Il calcio è un buon disossidante e degassante nella produzione di rame, nichel, leghe cromo-nichel, acciai speciali, nichel e bronzi allo stagno; rimuove zolfo, fosforo, carbonio da metalli e leghe.

Il calcio forma composti refrattari con il bismuto, quindi è usato per purificare il piombo dal bismuto.

Il calcio viene aggiunto a varie leghe leggere. Contribuisce al miglioramento della superficie dei lingotti, alla finezza e alla riduzione dell'ossidabilità.

Le leghe per cuscinetti contenenti calcio sono ampiamente utilizzate. Le leghe di piombo (0,04% Ca) possono essere utilizzate per realizzare le guaine dei cavi.

In ingegneria vengono utilizzate leghe antifrizione di calcio con piombo. I minerali di calcio sono ampiamente utilizzati. Quindi, il calcare viene utilizzato nella produzione di calce, cemento, mattoni di silicato e direttamente come materiale da costruzione, nella metallurgia (flusso), nell'industria chimica per la produzione di carburo di calcio, soda, soda caustica, candeggina, fertilizzanti, nella produzione di zucchero, vetro.

Gesso, marmo, longarone islandese, gesso, fluorite, ecc. sono di importanza pratica. A causa della capacità di legare ossigeno e azoto, le leghe di calcio o calcio con sodio e altri metalli vengono utilizzate per purificare i gas nobili e come getter nelle apparecchiature radio del vuoto. Il calcio è anche usato per produrre idruro, che è una fonte di idrogeno nel campo.

2. Ottenere calcio

Esistono diversi modi per ottenere il calcio, questi sono elettrolitici, termici, termici sottovuoto.

.1 Produzione elettrolitica di calcio e sue leghe

L'essenza del metodo sta nel fatto che il catodo inizialmente tocca l'elettrolita fuso. Nel punto di contatto si forma una goccia liquida di metallo che bagna il catodo, che, quando il catodo viene sollevato lentamente e uniformemente, viene rimosso dal fuso con esso e solidifica. In questo caso, la goccia solidificante è ricoperta da un film solido di elettrolita, che protegge il metallo dall'ossidazione e dalla nitrurazione. Sollevando continuamente e con attenzione il catodo, il calcio viene aspirato nelle aste.

2.2 Preparazione termica

calcio chimico elettrolitico termico

· Processo al cloruro: la tecnologia consiste nel fondere e disidratare il cloruro di calcio, fondere il piombo, ottenere una doppia lega piombo-sodio, ottenere una lega ternaria piombo-sodio-calcio e diluire la lega ternaria con piombo dopo aver rimosso i sali. La reazione con cloruro di calcio procede secondo l'equazione

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

· Processo al carburo: la base per ottenere una lega piombo-calcio è la reazione tra carburo di calcio e piombo fuso secondo l'equazione

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

2.3 Metodo sottovuoto-termico per ottenere il calcio

Materia prima per processo termico sottovuoto

La materia prima per la riduzione termica dell'ossido di calcio è la calce ottenuta dalla torrefazione del calcare. I requisiti principali per le materie prime sono i seguenti: la calce deve essere il più pura possibile e contenere un minimo di impurità in grado di essere ridotte e convertite in metallo insieme al calcio, in particolare metalli alcalini e magnesio. La calcinazione del calcare va eseguita fino alla completa decomposizione del carbonato, ma non prima della sinterizzazione, poiché la riducibilità del materiale sinterizzato è inferiore. Il prodotto cotto deve essere protetto dall'assorbimento di umidità e anidride carbonica il cui rilascio durante il recupero riduce le prestazioni del processo. La tecnologia di combustione del calcare e lavorazione del prodotto bruciato è simile alla lavorazione della dolomite per il metodo silicotermico per ottenere il magnesio.

.3.1 Metodo alluminotermico di riduzione del calcio

Il diagramma della dipendenza dalla temperatura della variazione dell'energia libera di ossidazione di un certo numero di metalli (Fig. 1) mostra che l'ossido di calcio è uno degli ossidi più durevoli e difficili da ridurre. Non può essere ridotto da altri metalli nel solito modo, a temperatura e pressione atmosferica relativamente basse. Al contrario, il calcio stesso è un ottimo agente riducente per altri composti di difficile riduzione e un agente disossidante per molti metalli e leghe. La riduzione dell'ossido di calcio con il carbonio è generalmente impossibile a causa della formazione di carburi di calcio. Tuttavia, poiché il calcio ha una pressione di vapore relativamente alta, il suo ossido può essere ridotto sotto vuoto con alluminio, silicio o loro leghe a seconda della reazione

CaO+io? Ca + MeO (14).

Finora, solo il metodo alluminotermico per ottenere il calcio ha trovato applicazione pratica, poiché è molto più facile ridurre il CaO con l'alluminio che con il silicio. Esistono opinioni diverse sulla chimica della riduzione dell'ossido di calcio con l'alluminio. L. Pidgeon e I. Atkinson ritengono che la reazione proceda con la formazione di monoalluminato di calcio:

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

V. A. Pazukhin e A. Ya. Fisher indicano che il processo procede con la formazione di alluminato tricalcico:

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

Secondo A. I. Voynitsky, la formazione di pentacicio trialuminato è predominante nella reazione:

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

L'ultima ricerca di A. Yu. Taits e AI Voinitsky ha stabilito che la riduzione alluminotermica del calcio procede per gradi. Inizialmente, il rilascio di calcio è accompagnato dalla formazione di 3CaO AI 2o 3, che poi reagisce con ossido di calcio e alluminio per formare 3CaO 3AI 2o 3. La reazione procede secondo il seguente schema:

CaO + 6Al = 2 (3CaO Al 2o 3)+ 2CaO + 2Al + 6Ca

(3CaO Al 2o 3) + 2CaO + 2Al = 5CaO 3Al 2O 3+ 3Са

CaO + 6A1 \u003d 5CaO 3Al 2O 3+ 9 ca

Poiché la riduzione dell'ossido avviene con il rilascio di calcio in fase vapore, ed i restanti prodotti di reazione sono allo stato condensato, è possibile separarlo e condensarlo facilmente nelle sezioni raffreddate del forno. Le principali condizioni necessarie per la riduzione sottovuoto-termica dell'ossido di calcio sono l'alta temperatura e la bassa pressione residua nell'impianto. Di seguito è riportata la relazione tra la temperatura e la pressione di vapore di equilibrio del calcio. L'energia libera di reazione (17), calcolata per temperature 1124-1728°K, è espressa come

F T \u003d 184820 + 6.95T-12.1 T lg T.

Da qui la dipendenza logaritmica dell'elasticità di equilibrio del vapore di calcio (mm Hg)

Lg p \u003d 3,59 - 4430 \ T.

L. Pidgeon e I. Atkinson determinarono sperimentalmente la pressione di vapore di equilibrio del calcio. Un'analisi termodinamica dettagliata della reazione di riduzione dell'ossido di calcio con l'alluminio è stata eseguita da I. I. Matveenko, che ha fornito le seguenti dipendenze dalla temperatura della pressione di equilibrio del vapore di calcio:

lgp Ca(1) \u003d 8,64 - 12930\T mm Hg

lgp Ca(2) \u003d 8,62 - 11780\T mm Hg

lgp Ca(3 )\u003d 8,75 - 12500\T mm Hg

I dati calcolati e sperimentali sono confrontati in Tabella. uno.

Tabella 1 - L'effetto della temperatura sulla variazione dell'elasticità di equilibrio del vapore di calcio nei sistemi (1), (2), (3), (3), mm Hg.

Temperatura °С Dati sperimentali Calcolati nei sistemi(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

Dai dati presentati, si può vedere che le interazioni nei sistemi (2) e (3) o (3") sono nelle condizioni più favorevoli. Ciò corrisponde alle osservazioni, poiché nei residui della carica predominano trialuminato di pentascalcio e alluminato tricalcico dopo la riduzione dell'ossido di calcio con alluminio.

I dati sull'elasticità dell'equilibrio mostrano che la riduzione dell'ossido di calcio con l'alluminio è possibile a una temperatura di 1100-1150 ° C. Per ottenere una velocità di reazione praticamente accettabile, la pressione residua nel sistema Rost deve essere inferiore all'equilibrio P è uguale a , cioè la disuguaglianza Р è uguale a >P ost , e il processo deve essere effettuato a temperature dell'ordine di 1200°. Gli studi hanno stabilito che ad una temperatura di 1200-1250° si ottiene un elevato utilizzo (fino al 70-75%) e un basso consumo specifico di alluminio (circa 0,6-0,65 kg per kg di calcio).

Secondo la suddetta interpretazione della chimica del processo, la composizione ottimale è la miscela progettata per la formazione di 5CaO 3Al nel residuo 2o 3. Per aumentare il grado di utilizzo dell'alluminio, è utile somministrare un po' di ossido di calcio in eccesso, ma non troppo (10-20%), altrimenti ciò influenzerà negativamente altri indicatori di processo. Con un aumento del grado di macinazione dell'alluminio da particelle di 0,8-0,2 mm a meno 0,07 mm (secondo V. A. Pazukhin e A. Ya. Fisher), l'uso dell'alluminio nella reazione aumenta dal 63,7 al 78%.

L'uso dell'alluminio risente anche della modalità di bricchettatura della carica. Una miscela di calce e polvere di alluminio deve essere bricchettata senza leganti (per evitare il degassamento sotto vuoto) ad una pressione di 150 kg/cm 2. A pressioni più basse, l'uso dell'alluminio diminuisce a causa della segregazione dell'alluminio fuso in bricchetti eccessivamente porosi e a pressioni più elevate, a causa della scarsa permeabilità ai gas. La completezza e la velocità di recupero dipendono anche dalla densità di confezionamento dei bricchetti nella storta. Quando li si posa senza spazi vuoti, quando la permeabilità ai gas dell'intera carica è bassa, l'uso dell'alluminio è notevolmente ridotto.

Figura 2 - Schema di ottenimento del calcio con il metodo sottovuoto-termico.

Tecnologia di modo allumino-termico

Lo schema tecnologico per la produzione di calcio con il metodo alluminotermico è mostrato in fig. 2. Il calcare viene utilizzato come materia prima e la polvere di alluminio preparata dall'alluminio primario (migliore) o secondario viene utilizzata come agente riducente. L'alluminio utilizzato come agente riducente, così come le materie prime, non deve contenere impurità di metalli facilmente volatili: magnesio, zinco, alcali, ecc., in grado di evaporare e trasformarsi in condensa. Questo deve essere preso in considerazione quando si scelgono i gradi di alluminio riciclato.

Secondo la descrizione di S. Loomis e P. Staub, negli USA, presso lo stabilimento della New England Lime Co. di Canaan (Connecticut), il calcio è ottenuto con il metodo alluminotermico. Viene utilizzata calce della seguente composizione tipica, %: 97,5 CaO, 0,65 MgO, 0,7 SiO 2, 0,6 Fe 2Oz + AlOz, 0,09 Na 2Va bene 2Oh, 0,5 il resto. Il prodotto calcinato viene macinato in un mulino Raymond con separatore centrifugo, la finezza della macinazione è (60%) meno 200 mesh. Come agente riducente viene utilizzata la polvere di alluminio, che è uno spreco nella produzione di polvere di alluminio. La calce bruciata da tramogge chiuse e l'alluminio dai fusti vengono alimentati alla bilancia dosatrice e quindi al miscelatore. Dopo la miscelazione, la miscela viene bricchettata in modo asciutto. Nell'impianto menzionato, il calcio viene ridotto in forni a storta, che in precedenza venivano utilizzati per ottenere magnesio con il metodo silicotermico (Fig. 3). I forni sono riscaldati con gas generatore. Ciascun forno dispone di 20 storte orizzontali in acciaio refrattario contenenti il 28% di Cr e il 15% di Ni.

Figura 3 - Forno a storte per la produzione di calcio

Lunghezza storta 3 m, diametro 254 mm, spessore parete 28 mm. La riduzione si verifica nella parte riscaldata della storta e la condensa si verifica nell'estremità raffreddata che sporge dal discorso. I bricchetti vengono introdotti nella storta in sacchi di carta, quindi vengono inseriti i condensatori e la storta viene chiusa. L'aria viene espulsa da pompe per vuoto meccaniche all'inizio del ciclo. Quindi si collegano le pompe di diffusione e si riduce la pressione residua a 20 micron.

Le storte vengono riscaldate fino a 1200°. Dopo 12 ore. dopo il caricamento, le storte vengono aperte e scaricate. Il calcio risultante ha la forma di un cilindro cavo di una massa densa di grandi cristalli depositati sulla superficie di un manicotto di acciaio. L'impurità principale del calcio è il magnesio, che in primo luogo è ridotto e si concentra principalmente nello strato adiacente al manicotto. Il contenuto medio di impurità è; 0,5-1% Mg, circa 0,2% Al, 0,005-0,02% Mn, fino a 0,02% N, altre impurità - Cu, Pb, Zn, Ni, Si, Fe - si trovano nell'intervallo 0,005-0,04%. A. Yu. Taits e A. I. Voinitsky hanno utilizzato un forno a vuoto elettrico semi-fabbrica con riscaldatori a carbone per ottenere calcio con il metodo alluminotermico e hanno raggiunto un grado di utilizzo dell'alluminio del 60%, un consumo specifico di alluminio di 0,78 kg, un consumo di carica specifico di 4,35 kg, rispettivamente, e un consumo specifico di energia elettrica 14 kWh per 1 kg di metallo.

Il metallo risultante, ad eccezione dell'impurità di magnesio, si distingueva per una purezza relativamente elevata. In media, il contenuto di impurità in esso era: 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 Metodo di riduzione silicotermica calcio

Il metodo silicotermico è molto allettante; l'agente riducente è il ferrosilicio, il reagente è molto più economico dell'alluminio. Tuttavia, il processo silicotermico è più difficile da implementare rispetto a quello alluminotermico. La riduzione dell'ossido di calcio da parte del silicio procede secondo l'equazione

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

L'elasticità di equilibrio del vapore di calcio, calcolata dai valori di energia libera, è:

°С1300140015001600Р, mm Hg st0.080.150.752.05

Pertanto, in un vuoto dell'ordine di 0,01 mm Hg. Arte. la riduzione dell'ossido di calcio è termodinamicamente possibile ad una temperatura di 1300°. In pratica, per garantire una velocità accettabile, il processo dovrebbe essere eseguito ad una temperatura di 1400-1500°C.

La reazione di riduzione dell'ossido di calcio con l'alluminio silico procede alquanto più facilmente, in cui sia l'alluminio che il silicio della lega servono come agenti riducenti. È stato stabilito da esperimenti che predomina dapprima la riduzione con alluminio; inoltre la reazione procede con la formazione finale di bCaO 3Al 2Oz secondo lo schema sopra delineato (Fig. 1). La riduzione del silicio diventa significativa a temperature più elevate quando la maggior parte dell'alluminio ha reagito; la reazione procede con la formazione di 2CaO SiO 2. In sintesi, la reazione di riduzione dell'ossido di calcio con silicoalluminio è espressa dalla seguente equazione:

mSi + n Al + (4m +2 ?) CaO \u003d m (2CaO SiO 2) + ?n(5CaO Al 2O3 ) + (2m +1, 5n) ca.

La ricerca di A. Yu. Taits e A. I. Voinitsky ha scoperto che l'ossido di calcio si riduce del 75% di ferrosilicio con una resa in metallo del 50-75% a una temperatura di 1400-1450 ° in un vuoto di 0,01-0,03 mm Hg. Arte.; silicoalluminio contenente il 60-30% di Si e il 32-58% di Al (il resto è ferro, titanio, ecc.) riduce l'ossido di calcio con una resa in metallo di circa il 70% a temperature di 1350-1400° sotto vuoto di 0,01-0,05 mm Hg. Arte. Esperimenti su scala semi-fabbrica hanno dimostrato la possibilità fondamentale di ottenere calcio su calce con ferrosilicio e silicoalluminio. La principale difficoltà dell'hardware è la selezione di un rivestimento resistente a questo processo.

Quando si risolve questo problema, il metodo può essere implementato nell'industria. Decomposizione del carburo di calcio Produzione di calcio metallico per decomposizione del carburo di calcio

CaC2 = Ca + 2C

dovrebbe essere considerato promettente. In questo caso si ottiene la grafite come secondo prodotto. W. Mauderly, E. Moser e W. Treadwell, dopo aver calcolato l'energia libera di formazione di carburo di calcio da dati termochimici, hanno ottenuto la seguente espressione per la pressione di vapore del calcio rispetto al carburo di calcio puro:

circa \u003d 1,35 - 4505 \ T (1124 - 1712 ° K),

lgp circa \u003d 6,62 - 13523 \ T (1712-2000 ° K).

Apparentemente, il carburo di calcio commerciale si decompone a temperature molto più elevate rispetto a quanto segue da queste espressioni. Gli stessi autori riportano la decomposizione termica del carburo di calcio in pezzi compatti a 1600-1800°C in un vuoto di 1 mm Hg. Arte. La resa di grafite era del 94%, il calcio era ottenuto sotto forma di un rivestimento denso sul frigorifero. A. S. Mikulinsky, F. S. Morii, R. Sh. Shklyar per determinare le proprietà della grafite ottenuta dalla decomposizione del carburo di calcio, quest'ultimo è stato riscaldato sotto vuoto di 0,3-1 mm Hg. Arte. ad una temperatura di 1630-1750°C. La grafite risultante differisce da quella di Acheson per i grani più grandi, una maggiore conduttività elettrica e una densità apparente inferiore.

3. Parte pratica

Il deflusso giornaliero di magnesio dall'elettrolizzatore per una corrente di 100 kA era di 960 kg quando il bagno veniva alimentato con cloruro di magnesio. La tensione sul giullare cellulare è 0,6 V. Determina:

)Uscita in corrente al catodo;

)La quantità di cloro ottenuta al giorno, a condizione che la corrente in uscita all'anodo sia uguale alla corrente in uscita al kode;

)Riempimento giornaliero MgCl 2nell'elettrolizzatore, a condizione che la perdita di MgCl 2 si verificano principalmente con fanghi e sublimazione. Quantità di fango 0,1 per 1 tonnellata di Mg contenente MgCl 2 in sublimazione 50%. La quantità di sublimazione è 0,05 t per 1 t di Mg. La composizione del cloruro di magnesio versato, %: 92 MgCl2 e 8 NaCl.

.Determinare l'uscita di corrente al catodo:

m eccetera = io ?K mg · ?

?= m eccetera \IO ?K mg \u003d 960000\100000 0,454 24 \u003d 0,881 o 88,1%

.Determina la quantità di Cl ricevuta al giorno:

x \u003d 960000 g \ 24 g \ mol \u003d 40000 mol

Conversione in volume:

x=126785,7 m3

3.a) Troviamo MgCl puro 2, per la produzione di 960 kg Mg.

x \u003d 95 960 \ 24,3 \u003d 3753 kg \u003d 37,53 tonnellate.

b) perdite con fanghi. Dalla composizione di elettrolizzatori di magnesio, %: 20-35 MgO, 2-5 Mg, 2-6 Fe, 2-4 SiO 2, 0,8-2 TiO 2, 0,4-1,0°C, 35 MgCl2 .

kg - 1000 kg

m sh \u003d 960 kg - massa di fanghi al giorno.

Al giorno 96 kg di fango: 96 0,35 (MgCl2 con fango).

c) perdite con sublimazione:

kg - 1000 kg

kg sublima: 48 0,5 = 24 kg MgCl 2 con sublima.

Tutto ciò che serve per riempire Mg:

33,6+24=3810,6 kg MgCl2 al giorno

Bibliografia

Fondamenti di metallurgia III

<#"justify">metallurgia di Al e Mg. Vetyukov MM, Tsyplokov AM

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I composti naturali del calcio (gesso, marmo, calcare, gesso) e i loro prodotti di lavorazione più semplici (calce) sono noti alle persone fin dall'antichità. Nel 1808, il chimico inglese Humphry Davy elettrolizzò la calce spenta umida (idrossido di calcio) con un catodo di mercurio e ottenne l'amalgama di calcio (lega di calcio-mercurio). Da questa lega, dopo aver scacciato il mercurio, Davy ottenne calcio puro.
Propose anche il nome di un nuovo elemento chimico, dal latino "calx" che denota il nome di calcare, gesso e altre pietre tenere.

Stare nella natura e ottenere:

Il calcio è il quinto elemento più abbondante nella crosta terrestre (più del 3%), forma molte rocce, molte delle quali a base di carbonato di calcio. Alcune di queste rocce sono di origine organica (shell rock), a dimostrazione dell'importante ruolo del calcio nella fauna selvatica. Il calcio naturale è una miscela di 6 isotopi con numeri di massa da 40 a 48, con 40 Ca che rappresentano il 97% del totale. Anche altri isotopi del calcio, come il 45 Ca radioattivo, sono stati ottenuti mediante reazioni nucleari.
Per ottenere una semplice sostanza di calcio, si usa l'elettrolisi dei fusi dei suoi sali o l'alluminotermia:
4CaO + 2Al \u003d Ca (AlO 2) 2 + 3Ca

Proprietà fisiche:

Un metallo grigio argento con un reticolo cubico centrato sulla faccia, molto più duro dei metalli alcalini. Punto di fusione 842°C, punto di ebollizione 1484°C, densità 1,55 g/cm 3 . Ad alte pressioni e temperature, circa 20 K passano nello stato di superconduttore.

Proprietà chimiche:

Il calcio non è attivo come i metalli alcalini, tuttavia deve essere conservato sotto uno strato di olio minerale o in fusti di metallo ermeticamente sigillati. Già a temperatura normale, reagisce con l'ossigeno e l'azoto nell'aria, nonché con il vapore acqueo. Una volta riscaldato, brucia in aria con una fiamma rosso-arancio, formando ossido con una miscela di nitruri. Come il magnesio, il calcio continua a bruciare in un'atmosfera di anidride carbonica. Quando riscaldato, reagisce con altri non metalli, formando composti che non sono sempre evidenti nella composizione, ad esempio:
Ca + 6B = CaB 6 o Ca + P => Ca 3 P 2 (anche CaP o CaP 5)
In tutti i suoi composti, il calcio ha uno stato di ossidazione di +2.

I collegamenti più importanti:

Ossido di calcio CaO- ("calce viva") una sostanza bianca, un ossido alcalino, reagisce vigorosamente con l'acqua ("estinta") trasformandosi in idrossido. Ottenuto dalla decomposizione termica del carbonato di calcio.

Idrossido di calcio Ca(OH) 2- polvere bianca ("calce spenta"), leggermente solubile in acqua (0,16 g/100 g), alcali forte. Una soluzione ("acqua di calce") viene utilizzata per rilevare l'anidride carbonica.

Carbonato di calcio CaCO 3- la base della maggior parte dei minerali di calcio naturali (gesso, marmo, calcare, roccia conchiglia, calcite, longarone islandese). Nella sua forma pura, la sostanza è bianca o incolore. cristalli, Quando riscaldato (900-1000 C) si decompone, formando ossido di calcio. Non p-rim, reagisce con gli acidi, è in grado di dissolversi in acqua satura di anidride carbonica, trasformandosi in bicarbonato: CaCO 3 + CO 2 + H 2 O \u003d Ca (HCO 3) 2. Il processo inverso porta alla formazione di depositi di carbonato di calcio, in particolare formazioni come stalattiti e stalagmiti.
Si trova in natura anche nella composizione della dolomite CaCO 3 *MgCO 3

Solfato di calcio CaSO 4- una sostanza bianca, in natura CaSO 4 * 2H 2 O ("gesso", "selenite"). Quest'ultimo, se riscaldato con cura (180 °C), si trasforma in CaSO 4 * 0,5H 2 O ("gesso bruciato", "alabastro") - una polvere bianca, quando mescolato con acqua, formando nuovamente CaSO 4 * 2H 2 O nel forma di un materiale solido e abbastanza resistente. Leggermente solubile in acqua, in eccesso di acido solforico può dissolversi formando idrosolfato.

Fosfato di calcio Ca 3 (PO 4) 2- ("fosforite"), insolubile, sotto l'azione di acidi forti passa in idro- e diidrogeno fosfati di calcio più solubili. Materia prima per la produzione di fosforo, acido fosforico, fertilizzanti fosfatici. I fosfati di calcio fanno anche parte delle apatiti, composti naturali con la formula approssimativa Ca 5 3 Y, dove Y = F, Cl o OH, rispettivamente, fluoro, cloro o idrossiapatite. Insieme alla fosforite, le apatiti fanno parte dello scheletro osseo di molti organismi viventi, incl. e una persona.

fluoruro di calcio CaF 2 - (naturale:"fluorite", "fluorite"), insolubile in bianco. I minerali naturali hanno una varietà di colori a causa delle impurità. Si illumina al buio se riscaldato e se esposto ai raggi UV. Aumenta la fluidità ("fusibilità") delle scorie nella produzione dei metalli, motivo del suo utilizzo come fondente.

Cloruro di calcio CaCl 2- incolore crist. in-in well r-rimoe in acqua. Forma CaCl 2 *6H 2 O idratato. Il cloruro di calcio anidro ("fuso") è un buon agente essiccante.

Nitrato di calcio Ca(NO 3) 2- ("nitrato di calcio") incolore. crist. in-in well r-rimoe in acqua. Un componente di composizioni pirotecniche che conferisce alla fiamma un colore rosso-arancio.

Carburo di calcio CaС 2- reagisce con l'acqua, formando acetilene, ad esempio: CaС 2 + H 2 O \u003d C 2 H 2 + Ca (OH) 2

Applicazione:

Il calcio metallico viene utilizzato come forte agente riducente nella produzione di alcuni metalli di difficile recupero ("termine calcico"): cromo, terre rare, torio, uranio, ecc. Nella metallurgia del rame, nichel, acciai speciali e bronzi, calcio e sue leghe vengono utilizzati per rimuovere le impurità nocive di zolfo, fosforo, carbonio in eccesso.
Il calcio viene anche utilizzato per legare piccole quantità di ossigeno e azoto nella produzione di alto vuoto e nella purificazione dei gas inerti.
Gli ioni in eccesso di neutroni 48 Ca vengono utilizzati per la sintesi di nuovi elementi chimici, come l'elemento n. 114, . Un altro isotopo del calcio, 45Ca, viene utilizzato come tracciante radioattivo negli studi sul ruolo biologico del calcio e sulla sua migrazione nell'ambiente.

Il principale campo di applicazione di numerosi composti di calcio è la produzione di materiali da costruzione (cemento, miscele edili, cartongesso, ecc.).

Il calcio è uno dei macroelementi nella composizione degli organismi viventi, formando composti necessari per costruire sia lo scheletro interno dei vertebrati che lo scheletro esterno di molti invertebrati, i gusci d'uovo. Gli ioni calcio sono anche coinvolti nella regolazione dei processi intracellulari, causano la coagulazione del sangue. La mancanza di calcio nell'infanzia porta al rachitismo, negli anziani - all'osteoporosi. I latticini, il grano saraceno, le noci servono come fonte di calcio e al suo assorbimento contribuisce la vitamina D. In caso di carenza di calcio, vengono utilizzati vari preparati: calcex, soluzione di cloruro di calcio, gluconato di calcio, ecc.
La frazione di massa di calcio nel corpo umano è dell'1,4-1,7%, il fabbisogno giornaliero è di 1-1,3 g (a seconda dell'età). Un'assunzione eccessiva di calcio può portare a ipercalcemia: la deposizione dei suoi composti negli organi interni, la formazione di coaguli di sangue nei vasi sanguigni. Fonti:
Calcio (elemento) // Wikipedia. URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/Calcium (data di accesso: 01/03/2014).
Libreria popolare di elementi chimici: Calcio. // URL: http://n-t.ru/ri/ps/pb020.htm (3.01.2014).

DEFINIZIONE

Calcio- il ventesimo elemento della tavola periodica. Designazione - Ca dal latino "calcio". Situato nel quarto periodo, gruppo IIA. Si riferisce ai metalli. La carica principale è 20.

Il calcio è uno degli elementi più abbondanti in natura. Contiene circa il 3% (massa) nella crosta terrestre. Si presenta sotto forma di numerosi depositi di calcare e gesso, oltre che di marmo, che sono varietà naturali di carbonato di calcio CaCO 3 . In grandi quantità si trovano anche gesso CaSO 4 × 2H 2 O, fosforite Ca 3 (PO 4) 2 e, infine, vari silicati contenenti calcio.

Sotto forma di una sostanza semplice, il calcio è un metallo bianco malleabile, piuttosto duro (Fig. 1). Nell'aria, si ricopre rapidamente di uno strato di ossido e, una volta riscaldato, brucia con una brillante fiamma rossastra. Il calcio reagisce in modo relativamente lento con l'acqua fredda, ma sposta rapidamente l'idrogeno dall'acqua calda, formando idrossido.

Riso. 1. Calcio. Aspetto esteriore.

Peso atomico e molecolare del calcio

Il peso molecolare relativo di una sostanza (M r) è un numero che mostra quante volte la massa di una data molecola è maggiore di 1/12 della massa di un atomo di carbonio e la massa atomica relativa di un elemento (Ar r) è quante volte la massa media degli atomi di un elemento chimico è maggiore di 1/12 della massa di un atomo di carbonio.

Poiché allo stato libero il calcio esiste sotto forma di molecole di Ca monoatomiche, i valori delle sue masse atomiche e molecolari sono gli stessi. Sono pari a 40.078.

Isotopi del calcio

È noto che in natura il calcio si trova sotto forma di quattro isotopi stabili 40Ca, 42Ca, 43Ca, 44Ca, 46Ca e 48Ca, con una netta predominanza dell'isotopo 40Ca (99,97%). I loro numeri di massa sono rispettivamente 40, 42, 43, 44, 46 e 48. Il nucleo dell'atomo dell'isotopo di calcio 40 Ca contiene venti protoni e venti neutroni, e gli isotopi rimanenti differiscono da esso solo per il numero di neutroni.

Esistono isotopi di calcio artificiali con numeri di massa da 34 a 57, tra i quali il più stabile è 41 Ca con un'emivita di 102 mila anni.

Ioni di calcio

Al livello di energia esterno dell'atomo di calcio, ci sono due elettroni che sono di valenza:

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

Come risultato dell'interazione chimica, il calcio cede i suoi elettroni di valenza, cioè è il loro donatore e si trasforma in uno ione caricato positivamente:

Ca 0 -2e → Ca 2+.

Molecola e atomo di calcio

Allo stato libero, il calcio esiste sotto forma di molecole di Ca monoatomiche. Ecco alcune proprietà che caratterizzano l'atomo e la molecola di calcio:

leghe di calcio

Il calcio funge da componente di lega di alcune leghe di piombo.

Esempi di problem solving

ESEMPIO 1

Esercizio

Scrivi le equazioni di reazione che possono essere utilizzate per eseguire le seguenti trasformazioni:

Ca → Ca(OH) 2 → CaCO 3 → Ca(HCO 3) 2.

Risposta

Sciogliendo il calcio in acqua, puoi ottenere una soluzione torbida di un composto noto come "latte di calce" - idrossido di calcio:

Ca + 2H 2 O → Ca (OH) 2 + H 2.

Facendo passare l'anidride carbonica attraverso una soluzione di idrossido di calcio, otteniamo carbonato di calcio:

2Ca(OH) 2 + CO 2 → CaCO 3 + H 2 O.

Aggiungendo acqua al carbonato di calcio e continuando a far passare l'anidride carbonica attraverso questa miscela, otteniamo il bicarbonato di calcio:

CaCO 3 + H 2 O + CO 2 → Ca(HCO 3) 2.