Kalcio atominė masė. Kalcis kaip cheminis elementas, jo vaidmuo

Kalcis (lot. Calcium, žymimas simboliu Ca) yra elementas, kurio atominis skaičius 20 ir atominė masė 40,078. Tai yra antrosios grupės pagrindinio pogrupio elementas, ketvirtasis periodinės Dmitrijaus Ivanovičiaus Mendelejevo cheminių elementų sistemos periodas. Įprastomis sąlygomis paprasta medžiaga kalcis yra lengvas (1,54 g/cm3) kalus, minkštas, chemiškai aktyvus sidabriškai baltos spalvos šarminis žemės metalas.

Gamtoje kalcis pateikiamas kaip šešių izotopų mišinys: 40Ca (96,97%), 42Ca (0,64%), 43Ca (0,145%), 44Ca (2,06%), 46Ca (0,0033%) ir 48Ca (0,185%). Pagrindinis dvidešimtojo elemento izotopas – labiausiai paplitęs – yra 40Ca, jo izotopų gausa apie 97%. Iš šešių natūralių kalcio izotopų penki yra stabilūs, šeštasis izotopas 48Ca, sunkiausias iš šešių ir gana retas (jo izotopų gausa yra tik 0,185%), neseniai buvo nustatytas dvigubai β skilimas ir jo pusinės eliminacijos laikas. 5,3 ∙ 1019 metų. Dirbtinai gauti izotopai, kurių masės skaičiai yra 39, 41, 45, 47 ir 49, yra radioaktyvūs. Dažniausiai jie naudojami kaip izotopų indikatorius tiriant mineralų apykaitos procesus gyvame organizme. 45Ca, gaunamas apšvitinant metalinį kalcį ar jo junginius neutronais urano reaktoriuje, vaidina svarbų vaidmenį tiriant dirvožemyje vykstančius medžiagų apykaitos procesus ir tiriant augalų kalcio asimiliacijos procesus. Dėl to paties izotopo lydymosi metu buvo galima aptikti įvairių rūšių plieno ir itin grynos geležies užteršimo kalcio junginiais šaltinius.

Kalcio junginiai – marmuras, gipsas, kalkakmenis ir kalkės (kalkių deginimo produktas) žinomi nuo seniausių laikų ir buvo plačiai naudojami statybose bei medicinoje. Senovės egiptiečiai naudojo kalcio junginius statydami savo piramides, o didžiosios Romos gyventojai išrado betoną – naudodami skaldos, kalkių ir smėlio mišinį. Iki pat XVIII amžiaus pabaigos chemikai buvo įsitikinę, kad kalkės yra paprastas kūnas. Tik 1789 m. Lavoisier pasiūlė, kad kalkės, aliuminio oksidas ir kai kurie kiti junginiai yra sudėtingos medžiagos. 1808 metais kalcio metalą H. Davie gavo elektrolizės būdu.

Metalinio kalcio naudojimas siejamas su dideliu jo cheminiu aktyvumu. Jis naudojamas redukcijai iš tam tikrų metalų junginių, pavyzdžiui, torio, urano, chromo, cirkonio, cezio, rubidžio; pašalinti deguonį ir sierą iš plieno ir kai kurių kitų lydinių; organinių skysčių dehidratacijai; likutinėms dujoms vakuuminiuose įrenginiuose sugerti. Be to, kai kuriuose lydiniuose metalinis kalcis naudojamas kaip legiravimo komponentas. Kalcio junginiai naudojami daug plačiau – jie naudojami statybose, pirotechnikoje, stiklo gamyboje, medicinoje ir daugelyje kitų sričių.

Kalcis yra vienas iš svarbiausių biogeninių elementų, jis reikalingas daugumai gyvų organizmų normaliai gyvybės procesų eigai. Suaugusio žmogaus organizme yra iki pusantro kilogramo kalcio. Jo yra visuose gyvų organizmų audiniuose ir skysčiuose. Dvidešimtasis elementas yra būtinas kauliniam audiniui formuotis, palaikyti širdies ritmą, kraujo krešėjimą, palaikyti normalų išorinių ląstelių membranų pralaidumą, formuotis daugeliui fermentų. Funkcijų, kurias kalcis atlieka augalų ir gyvūnų organizmuose, sąrašas yra labai ilgas. Pakanka pasakyti, kad aplinkoje, kurioje nėra kalcio, gali vystytis tik reti organizmai, o kiti organizmai sudaro 38% šio elemento (žmogaus organizme kalcio yra tik apie 2%).

Biologinės savybės

Kalcis yra vienas iš biogeninių elementų, jo junginių yra beveik visuose gyvuose organizmuose (nedaugelis organizmų sugeba vystytis aplinkoje, kurioje nėra kalcio), užtikrinančių normalią gyvybės procesų eigą. Dvidešimtasis elementas yra visuose gyvūnų ir augalų audiniuose ir skysčiuose, didžioji jo dalis (stuburiniams gyvūnams, įskaitant žmones) yra skelete ir dantyse fosfatų pavidalu (pavyzdžiui, hidroksiapatitas Ca5 (PO4) 3OH arba 3Ca3 () PO4) 2 Ca (OH) 2). Dvidešimtasis elementas naudojamas kaip kaulų ir dantų statybinė medžiaga dėl to, kad ląstelėje nenaudojami kalcio jonai. Kalcio koncentraciją kontroliuoja specialūs hormonai, kurių bendras veikimas išsaugo ir palaiko kaulų struktūrą. Daugumos bestuburių grupių (moliuskų, koralų, kempinių ir kt.) skeletai yra sukurti iš įvairių formų kalcio karbonato CaCO3 (kalkių). Daugelis bestuburių prieš lydimą kaupia kalcį, kad sukurtų naują skeletą arba išlaikytų gyvybę nepalankiomis sąlygomis. Gyvūnai kalcį gauna iš maisto ir vandens, o augalai – iš dirvožemio ir šio elemento atžvilgiu skirstomi į kalcefilus ir kalcefobus.

Šio svarbaus mikroelemento jonai dalyvauja kraujo krešėjimo procesuose, taip pat užtikrina nuolatinį kraujo osmosinį slėgį. Be to, kalcis būtinas daugelio ląstelių struktūrų formavimuisi, normaliam išorinių ląstelių membranų pralaidumui palaikyti, žuvų ir kitų gyvūnų ikrams apvaisinti, daugelio fermentų aktyvavimui (galbūt ši aplinkybė yra dėl į tai, kad kalcis pakeičia magnio jonus). Kalcio jonai perduoda sužadinimą raumenų skaiduloms, todėl jos susitraukia, didina širdies susitraukimų stiprumą, padidina leukocitų fagocitinę funkciją, aktyvina apsauginių kraujo baltymų sistemą, reguliuoja egzocitozę, įskaitant hormonų ir neuromediatorių sekreciją. Kalcis turi įtakos kraujagyslių pralaidumui – be šio elemento ant kraujagyslių sienelių nusėstų riebalai, lipidai ir cholesterolis. Kalcis skatina sunkiųjų metalų druskų ir radionuklidų pasišalinimą iš organizmo, atlieka antioksidacines funkcijas. Kalcis veikia reprodukcinę sistemą, turi antistresinį ir antialerginį poveikį.

Kalcio kiekis suaugusio žmogaus (sveriančio 70 kg) organizme yra 1,7 kg (daugiausia kaulinio audinio tarpląstelinės medžiagos sudėtyje). Šio elemento poreikis priklauso nuo amžiaus: suaugusiems reikalinga paros norma – nuo ​​800 iki 1000 miligramų, vaikams – nuo ​​600 iki 900 miligramų. Vaikams ypač svarbu suvartoti reikiamą dozę intensyviam kaulų augimui ir vystymuisi. Pagrindinis kalcio pasisavinimo šaltinis organizme yra pienas ir pieno produktai, likusi dalis kalcio gaunama iš mėsos, žuvies, kai kurių augalinių produktų (ypač ankštinių). Kalcio katijonai pasisavinami storajame ir plonajame žarnyne, asimiliaciją palengvina rūgštinė aplinka, vitaminai C ir D, laktozė (pieno rūgštis), taip pat nesočiosios riebalų rūgštys. Savo ruožtu aspirinas, oksalo rūgštis, estrogenų dariniai žymiai sumažina dvidešimtojo elemento įsisavinimą. Taigi, derinant su oksalo rūgštimi, kalcis sudaro vandenyje netirpius junginius, kurie yra inkstų akmenų sudedamosios dalys. Magnio vaidmuo kalcio apykaitoje yra didelis – jam trūkstant, kalcis „išplaunamas“ iš kaulų ir nusėda į inkstus (inkstų akmenis) ir raumenis. Apskritai, organizmas turi sudėtingą dvidešimtojo elemento saugojimo ir išleidimo sistemą, dėl šios priežasties kalcio kiekis kraujyje yra tiksliai reguliuojamas, o tinkamai maitinantis, nėra trūkumo ar pertekliaus. Ilgalaikė kalcio dieta gali sukelti mėšlungį, sąnarių skausmą, vidurių užkietėjimą, nuovargį, mieguistumą ir augimo sulėtėjimą. Ilgalaikis kalcio trūkumas maiste sukelia osteoporozės vystymąsi. Nikotinas, kofeinas ir alkoholis yra vienos iš kalcio trūkumo organizme priežasčių, nes jie prisideda prie intensyvaus jo išsiskyrimo su šlapimu. Tačiau dvidešimtojo elemento (arba vitamino D) perteklius sukelia neigiamų pasekmių – vystosi hiperkalcemija, kurios pasekmė yra intensyvus kaulų ir audinių kalcifikacija (daugiausia pažeidžiama šlapimo sistema). Ilgalaikis kalcio perteklius sutrikdo raumenų ir nervų audinių veiklą, padidina kraujo krešėjimą ir sumažina cinko pasisavinimą kaulų ląstelėse. Galbūt osteoartrito, kataraktos, kraujospūdžio problemų atsiradimas. Iš to, kas išdėstyta aukščiau, galime daryti išvadą, kad augalų ir gyvūnų organizmų ląstelėms reikia griežtai apibrėžto kalcio jonų santykio.

Farmakologijoje ir medicinoje kalcio junginiai naudojami vitaminų, tablečių, piliulių, injekcijų, antibiotikų gamybai, taip pat ampulių, medicinos reikmenų gamybai.

Pasirodo, gana dažna vyrų nevaisingumo priežastis – kalcio trūkumas organizme! Faktas yra tas, kad spermos galvoje yra sagitalinis darinys, kurį sudaro tik kalcis, o esant pakankamam šio elemento kiekiui, spermatozoidai gali įveikti membraną ir apvaisinti kiaušinėlį, jei to nepakanka, atsiranda nevaisingumas.

Amerikiečių mokslininkai išsiaiškino, kad dėl kalcio jonų trūkumo kraujyje susilpnėja atmintis ir mažėja intelektas. Taigi, pavyzdžiui, iš gerai žinomo JAV žurnalo Science News tapo žinoma apie eksperimentus, kurie patvirtino, kad katėms išsivysto sąlyginis refleksas tik tada, kai jų smegenų ląstelėse yra daugiau kalcio nei kraujyje.

Žemės ūkyje labai vertinamas junginys kalcio cianamidas naudojamas ne tik kaip azoto trąša ir karbamido šaltinis – vertingiausia trąša ir žaliava sintetinių dervų gamybai, bet ir kaip medžiaga, su kuria buvo galima išgauti mechanizuoti medvilnės laukų derliaus nuėmimą. Faktas yra tas, kad po apdorojimo šiuo junginiu medvilnė akimirksniu numeta lapiją, todėl žmonės gali palikti medvilnės rinkimą mašinoms.

Kalbant apie maistą, kuriame gausu kalcio, visada minimi pieno produktai, tačiau pačiame piene yra nuo 120 mg (karvės) iki 170 mg (avies) kalcio 100 g; varškė dar prastesnė – tik 80 mg 100 gramų. Iš pieno produktų tik sūryje yra nuo 730 mg (gouda) iki 970 mg (ementalio) kalcio 100 g produkto. Tačiau aguonos yra dvidešimtojo elemento kiekio rekordininkė – 100 gramų aguonų yra beveik 1500 mg kalcio!

Kalcio chloridas CaCl2, naudojamas, pavyzdžiui, šaldymo įrenginiuose, yra daugelio cheminių technologinių procesų, ypač didelio masto sodos gamybos, atliekos. Tačiau nepaisant to, kad kalcio chloridas plačiai naudojamas įvairiose srityse, jo suvartojimas yra žymiai prastesnis nei jo gamyba. Dėl šios priežasties, pavyzdžiui, prie sodos gamyklų iš kalcio chlorido sūrymo susidaro ištisi ežerai. Tokie saugyklos tvenkiniai nėra neįprasti.

Norint suprasti, kiek kalcio junginių suvartojama, verta pateikti tik porą pavyzdžių. Plieno gamyboje kalkės naudojamos fosforui, siliciui, manganui ir sierai pašalinti, deguonies konverterio procese vienai tonai plieno sunaudojama 75 kilogramai kalkių! Kitas pavyzdys iš visiškai kitos srities – maisto pramonė. Gaminant cukrų, kad nusodintų kalcio sacharatą, žaliavinio cukraus sirupas reaguoja su kalkėmis. Taigi, cukranendrių cukrui paprastai reikia apie 3–5 kg kalkių tonai, o runkelių cukrui - šimtą kartų daugiau, tai yra, apie pusę tonos kalkių tonai cukraus!

Vandens „kietumas“ – tai eilė savybių, kurias vandeniui suteikia jame ištirpusios kalcio ir magnio druskos. Standumas skirstomas į laikiną ir nuolatinį. Laikiną arba karbonatinį kietumą sukelia vandenyje esantys tirpūs bikarbonatai Ca (HCO3) 2 ir Mg (HCO3) 2. Karbonatinio kietumo atsikratyti labai paprasta – užvirus vandenį bikarbonatai virsta vandenyje netirpiais kalcio ir magnio karbonatais, nusėda. Nuolatinį kietumą sukuria tų pačių metalų sulfatai ir chloridai, tačiau jo atsikratyti yra daug sunkiau. Kietas vanduo yra baisus ne tiek dėl to, kad neleidžia susidaryti muiluotoms putoms, todėl prasčiau išplauna skalbinius, daug baisiau, kad garo katiluose ir katilų įrenginiuose susidaro apnašų sluoksnis, dėl to sumažėja jų efektyvumas ir susidaro avarinės situacijos. Įdomu tai, kad vandens kietumą jie mokėjo nustatyti net senovės Romoje. Raudonasis vynas buvo naudojamas kaip reagentas – jo dažikliai sudaro nuosėdas su kalcio ir magnio jonais.

Kalcio paruošimo saugojimui procesas yra labai įdomus. Metalinis kalcis ilgą laiką laikomas gabalėlių pavidalu, sveriančių nuo 0,5 iki 60 kg. Šios „kiaulės“ supakuojamos į popierinius maišelius, po to dedamos į cinkuotos geležies indus su lituotomis ir dažytomis siūlėmis. Sandariai uždarytos talpyklos dedamos į medines dėžes. Mažiau nei pusę kilogramo sveriančių gabalėlių negalima ilgai laikyti – oksiduodami jie greitai virsta oksidu, hidroksidu ir kalcio karbonatu.

Istorija

Metalinis kalcis buvo gautas palyginti neseniai – 1808 metais, tačiau žmonija su šio metalo junginiais buvo susipažinusi labai seniai. Nuo seniausių laikų žmonės statybose ir medicinoje naudojo kalkakmenį, kreidą, marmurą, alebastrą, gipsą ir kitus kalcio turinčius junginius. CaCO3 kalkakmenis greičiausiai buvo pirmoji statybinė medžiaga, kurią naudojo žmonės. Jis buvo naudojamas statant Egipto piramides ir Didžiąją kinų sieną. Daugelis šventyklų ir bažnyčių Rusijoje, taip pat dauguma senovės Maskvos pastatų buvo pastatyti naudojant kalkakmenį - baltą akmenį. Net senovėje žmogus, degindamas kalkakmenį, gaudavo negesintas kalkes (CaO), ką liudija Plinijaus Vyresniojo (I a. po Kr.) ir Romos armijos gydytojo Dioskorido darbai, kuriuos jis savo darbe pristatė kalcio oksidui. "Ant vaistų" pavadinimas "greitosios kalkės", kuris išliko iki mūsų laikų. Ir visa tai nepaisant to, kad gryną kalcio oksidą pirmą kartą aprašė vokiečių chemikas I. Tada tik 1746 m., o 1755 m., chemikas J. Blackas, tyrinėdamas degimo procesą, atskleidė, kad kalkakmenio masės praradimas degimo metu. atsiranda dėl anglies dioksido dujų išsiskyrimo:

CaCO3 ↔ CO2 + CaO

Egipto skiediniai, kurie buvo naudojami Gizos piramidėse, buvo pagaminti iš iš dalies dehidratuoto gipso CaSO4 2H2O arba, kitaip tariant, alebastro 2CaSO4 ∙ H2O. Jis taip pat yra viso Tutanchamono kapo tinko pagrindas. Degintą gipsą (alabastrą) egiptiečiai naudojo kaip rišiklį statydami laistymo įrenginius. Deginant natūralų gipsą aukštoje temperatūroje, Egipto statybininkai pasiekė jo dalinę dehidrataciją ir nuo molekulės buvo atskirtas ne tik vanduo, bet ir sieros anhidridas. Vėliau atskiedus vandeniu gauta labai stipri masė, kuri nebijo vandens ir temperatūros svyravimų.

Romėnus pagrįstai galima vadinti betono išradėjais, nes savo pastatuose jie naudojo vieną iš šios statybinės medžiagos atmainų – skaldos, smėlio ir kalkių mišinį. Plinijus Vyresnysis aprašo cisternų statymą iš tokio betono: „Cisternų statybai paimamos penkios dalys gryno žvyro smėlio, dvi dalys geriausių gesintų kalkių ir Silex (kietos lavos) fragmentai, sveriantys Nr. daugiau nei po svarą, sumaišius jie sutankina dugną ir šoninius paviršius geležinio plaktuvo smūgiais. Italijoje drėgname klimate betonas buvo atspariausia medžiaga.

Pasirodo, žmonijai seniai buvo žinomi kalcio junginiai, kuriuos plačiai naudojo. Tačiau iki XVIII amžiaus pabaigos chemikai kalkes laikė paprastu kūnu, tik naujojo amžiaus išvakarėse imta tirti kalkių ir kitų kalcio junginių prigimtį. Taigi Stahlas pasiūlė, kad kalkės yra sudėtingas kūnas, susidedantis iš žemiškų ir vandeningų principų, o Black nustatė skirtumą tarp šarminių kalkių ir anglies kalkių, kuriose yra „fiksuoto oro“. Antoine'as Laurent'as Lavoisier'as kalkžemes (CaO) priskyrė elementų skaičiui, tai yra paprastoms medžiagoms, nors 1789 m. jis teigė, kad kalkės, magnezija, baritas, aliuminio oksidas ir silicio dioksidas yra sudėtingos medžiagos, tačiau tai bus įmanoma įrodyti tik skaidant „užsispyrusią žemę“ (kalcio oksidą). Ir pirmasis, kuriam pavyko, buvo Humphrey Davy. Sėkmingai elektrolizės būdu suskaidžius kalio ir natrio oksidus, chemikas nusprendė tokiu pat būdu gauti ir šarminių žemių metalus. Tačiau pirmieji bandymai buvo nesėkmingi – anglas bandė skaidyti kalkes elektrolizės būdu ore ir po alyvos sluoksniu, paskui kalcinavo metaliniu kaliu vamzdelyje ir atliko daugybę kitų eksperimentų, bet nesėkmingai. Galiausiai įrenginyje su gyvsidabrio katodu jis kalkių elektrolizės būdu gavo amalgamą, o iš jos – metalinį kalcį. Gana greitai šį metalo gamybos būdą patobulino I. Berzelius ir M. Pontinas.

Naujasis elementas gavo savo pavadinimą iš lotyniško žodžio „calx“ (kilmininke calcis) – kalkės, minkštas akmuo. Kalks (calx) buvo vadinamas kreida, kalkakmeniu, apskritai plikas akmuo, bet dažniausiai skiedinys kalkių pagrindu. Šią sąvoką vartojo ir antikos autoriai (Vitruvijus, Plinijus Vyresnysis, Dioskoridas), apibūdindami kalkakmenio deginimą, kalkių gesinimą ir skiedinių ruošimą. Vėliau alchemikų rate „calx“ reiškė skrudinimo produktą apskritai – ypač metalus. Taigi, pavyzdžiui, metalų oksidai buvo vadinami metalinėmis kalkėmis, o pats degimo procesas – kalcinavimu (calcinatio). Senovės rusų receptų literatūroje randamas žodis išmatos (purvas, molis), kaip ir Trejybės-Sergijaus Lavros kolekcijoje (XV a.) sakoma: „Surinkite išmatas ir iš jų sukuria tiglį auksui. “ Tik vėliau žodis kal, kuris neabejotinai siejamas su žodžiu „calx“, tapo žodžio mėšlas sinonimu. pradžios rusų literatūroje kalcis kartais buvo vadinamas kalkinės žemės pagrindu, kalkakmeniu (Shcheglov, 1830), kalkingumu (Job), kalciu, kalciu (Hesas).

Buvimas gamtoje

Kalcis yra vienas iš labiausiai paplitusių elementų mūsų planetoje – penktas pagal kiekybinį kiekį gamtoje (iš nemetalų daugiau tik deguonies – 49,5 proc. ir silicio – 25,3 proc.) ir trečias tarp metalų (tik aliuminio daugiau dažnas - 7,5% ir geležis - 5,08%). Clarke (vidutinis kiekis žemės plutoje) kalcio, remiantis įvairiais skaičiavimais, svyruoja nuo 2,96% masės iki 3,38%, tikrai galime pasakyti, kad šis skaičius yra apie 3%. Išoriniame kalcio atomo apvalkale yra du valentiniai elektronai, kurių ryšys su branduoliu yra gana trapus. Dėl šios priežasties kalcis yra labai reaktyvus ir gamtoje laisvos formos nėra. Tačiau jis aktyviai migruoja ir kaupiasi įvairiose geocheminėse sistemose, sudarydamas apie 400 mineralų: silikatų, aliumosilikatų, karbonatų, fosfatų, sulfatų, borosilikatų, molibdatų, chloridų ir kitų, pagal šį rodiklį užimantis ketvirtą vietą. Tirpstant bazaltinėms magmoms, kalcis kaupiasi tirpale ir patenka į pagrindinių uolienų formavimo mineralų sudėtį, kurio frakcijos metu jo kiekis mažėja magmai diferencijuojant nuo bazinių iki rūgščių uolienų. Didžioji dalis kalcio yra žemutinėje žemės plutos dalyje, kaupiasi pagrindinėse uolienose (6,72%); žemės mantijoje kalcio yra mažai (0,7%), o žemės šerdyje, ko gero, dar mažiau (dvidešimtojo elemento geležies meteorituose, panašiuose į šerdį, tik 0,02%).

Tiesa, akmens meteorituose kalcio klarko yra 1,4% (randamas retas kalcio sulfidas), vidutinėse uolienose - 4,65%, felzinėse uolienose kalcio yra 1,58% masės. Pagrindinė kalcio dalis yra įvairių uolienų (granitų, gneisų ir kt.) silikatuose ir aliumosilikatuose, ypač lauko špate – anortite Ca, taip pat diopside CaMg, volastonite Ca3. Nuosėdinių uolienų pavidalu kalcio junginius sudaro kreida ir kalkakmenis, daugiausia susidedantys iš mineralinio kalcito (CaCO3).

Kalcio karbonatas CaCO3 yra vienas iš labiausiai paplitusių junginių Žemėje – kalcio karbonato pagrindu pagaminti mineralai dengia apie 40 milijonų kvadratinių kilometrų žemės paviršiaus. Daugelyje Žemės paviršiaus vietų yra daug kalcio karbonato nuosėdų, kurios susidarė iš senovės jūrų organizmų liekanų – kreidos, marmuro, kalkakmenio, kriauklių uolienų – visa tai yra CaCO3 su nedidelėmis priemaišomis, o kalcitas yra grynas CaCO3. . Svarbiausias iš šių mineralų yra kalkakmenis, tiksliau – kalkakmenis, nes kiekvienas telkinys skiriasi tankiu, sudėtimi ir priemaišų kiekiu. Pavyzdžiui, kriauklių uoliena yra organinė kalkakmenis, o kalcio karbonatas, turintis mažiau priemaišų, sudaro skaidrius kalkakmenio arba Islandijos špagos kristalus. Kreida yra dar viena paplitusi kalcio karbonato rūšis, tačiau marmuras, kristalinė kalcito forma, gamtoje yra daug rečiau paplitęs. Visuotinai pripažįstama, kad marmuras buvo suformuotas iš kalkakmenio senovės geologiniais laikais. Judant žemės plutai, po kitų uolienų sluoksniais buvo palaidoti atskiri kalkakmenio telkiniai. Veikiant aukštam slėgiui ir temperatūrai, vyko rekristalizacijos procesas, ir kalkakmenis virto tankesne kristaline uoliena – marmuru. Keistai stalaktitai ir stalagmitai yra aragonito mineralas, kuris yra dar vienas kalcio karbonato tipas. Ortorombinis aragonitas susidaro šiltose jūrose – Bahamų salose, Florida Keys ir Raudonosios jūros baseine susidaro didžiuliai kalcio karbonato sluoksniai aragonito pavidalu. Taip pat gana plačiai paplitę kalcio mineralai, tokie kaip fluoritas CaF2, dolomitas MgCO3 CaCO3, anhidritas CaSO4, fosforitas Ca5 (PO4) 3 (OH, CO3) (su įvairiomis priemaišomis) ir apatitas Ca5 (PO4) 3 (F, Cl, OH) - formos. kalcio fosfato, alebastro CaSO4 0,5H2O ir gipso CaSO4 2H2O (kalcio sulfato formos) ir kt. Kalcio turinčiuose mineraluose yra priemaišų elementų, kurie jį pakeičia izomorfiškai (pavyzdžiui, natris, stroncis, retųjų žemių, radioaktyvieji ir kiti elementai).

Didelis dvidešimtojo elemento kiekis randamas natūraliuose vandenyse dėl visuotinės „karbonato pusiausvyros“ tarp blogai tirpaus CaCO3, labai tirpaus Ca (HCO3) 2 ir CO2 vandenyje ir ore:

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

Ši reakcija yra grįžtama ir yra dvidešimtojo elemento persiskirstymo pagrindas - esant dideliam anglies dioksido kiekiui vandenyse, kalcis yra tirpale, o esant mažam CO2 kiekiui, nusėda mineralinis kalcitas CaCO3, sudarydamas galingas nuosėdas. kalkakmenis, kreida, marmuras.

Nemažai kalcio yra gyvų organizmų dalis, pavyzdžiui, hidroksiapatitas Ca5 (PO4) 3OH arba, kitu įrašu, 3Ca3 (PO4) 2 Ca (OH) 2 - stuburinių, įskaitant žmones, kaulinio audinio pagrindas. Kalcio karbonatas CaCO3 yra pagrindinis daugelio bestuburių, kiaušinių lukštų, koralų ir net perlų kriauklių ir lukštų komponentas.

Taikymas

Metalinis kalcis naudojamas retai. Iš esmės šis metalas (kaip ir jo hidridas) naudojamas metaloterminei sunkiai redukuojamų metalų - urano, titano, torio, cirkonio, cezio, rubidžio ir daugelio retųjų žemių metalų gamyboje iš jų junginių (oksidų arba halogenidų). . Kalcis naudojamas kaip reduktorius nikelio, vario ir nerūdijančio plieno gamyboje. Taip pat dvidešimtasis elementas naudojamas plieno, bronzos ir kitų lydinių deoksidacijai, sieros šalinimui iš naftos produktų, organinių tirpiklių dehidratavimui, argono valymui nuo azoto priemaišų bei kaip dujų absorberis elektriniuose vakuuminiuose įrenginiuose. Metalinis kalcis naudojamas gaminant Pb-Na-Ca sistemos antifrikcinius lydinius (naudojamus guoliuose), taip pat Pb-Ca lydinį, kuris naudojamas elektros kabelių apvalkalų gamybai. Siliciokalcio lydinys (Ca-Si-Ca) naudojamas kaip deoksidatorius ir degazatorius gaminant aukštos kokybės plieną. Kalcis naudojamas ir kaip aliuminio lydinių legiravimo elementas, ir kaip modifikuojantis magnio lydinių priedas. Pavyzdžiui, pridėjus kalcio padidėja aliuminio guolių stiprumas. Grynas kalcis taip pat naudojamas švinui legiruoti, kuris naudojamas akumuliatorių plokščių, priežiūros nereikalaujančių starterių švino-rūgštinių akumuliatorių, kurių savaiminio išsikrovimo lygis yra mažas, gamybai. Taip pat metalinis kalcis naudojamas aukštos kokybės kalcio babbits BKA gamybai. Kalcio pagalba reguliuojamas anglies kiekis ketuje ir iš švino pašalinamas bismutas, o plienas išvalomas iš deguonies, sieros ir fosforo. Kalcis, taip pat jo lydiniai su aliuminiu ir magniu, naudojami atsarginėse šiluminėse elektros baterijose kaip anodas (pavyzdžiui, kalcio chromato elementas).

Tačiau dvidešimtojo elemento junginiai naudojami daug plačiau. Ir pirmiausia kalbame apie natūralius kalcio junginius. Vienas iš labiausiai paplitusių kalcio junginių Žemėje yra CaCO3 karbonatas. Grynas kalcio karbonatas yra kalcito mineralas, o kalkakmenis, kreida, marmuras, kriauklių uoliena yra CaCO3 su nedidelėmis priemaišomis. Mišrus kalcio ir magnio karbonatas vadinamas dolomitu. Kalkakmenis ir dolomitas daugiausia naudojami kaip statybinės medžiagos, šaligatviai ar rūgštingumą mažinančios medžiagos. Kalcio karbonatas CaCO3 būtinas norint gauti kalcio oksidą (gesintus kalkinius) CaO ir kalcio hidroksidą (gesintas kalkes) Ca (OH) 2. Savo ruožtu CaO ir Ca (OH) 2 yra pagrindinės medžiagos daugelyje chemijos, metalurgijos ir mašinų gamybos pramonės sričių – kalcio oksidas, tiek laisva forma, tiek kaip keramikos mišinių dalis, naudojamas ugniai atsparių medžiagų gamyboje. ; celiuliozės ir popieriaus pramonei reikia milžiniškų kalcio hidroksido kiekių. Be to, Ca (OH) 2 naudojamas baliklio (geros balinimo ir dezinfekcijos priemonės), bertoleto druskos, sodos ir kai kurių pesticidų, skirtų kovai su augalų kenkėjais, gamyboje. Plieno gamyboje sunaudojama didžiulis kiekis kalkių – sierai, fosforui, siliciui ir manganui pašalinti. Kitas kalkių vaidmuo metalurgijoje yra magnio gamyba. Kalkės taip pat naudojamos kaip tepalas plieninei vielai traukti ir sieros rūgšties turintiems skysčiams neutralizuoti. Be to, būtent kalkės yra labiausiai paplitęs cheminis reagentas apdorojant geriamąjį ir pramoninį vandenį (kartu su alūno ar geležies druskomis koaguliuoja suspensijas ir šalina nuosėdas, taip pat suminkština vandenį, pašalindamas laikiną – bikarbonatinį – kietumą). Kasdieniame gyvenime ir medicinoje nusodintas kalcio karbonatas naudojamas kaip rūgštį neutralizuojanti medžiaga, švelnus abrazyvas dantų pastose, papildomo kalcio šaltinis dietoje, kramtomosios gumos komponentas ir užpildas kosmetikoje. CaCO3 taip pat naudojamas kaip užpildas gumose, lateksuose, dažuose ir emaliuose, taip pat plastikuose (apie 10 % masės), siekiant pagerinti jų atsparumą karščiui, kietumą, kietumą ir apdirbamumą.

Kalcio fluoridas CaF2 yra ypač svarbus, nes mineralo (fluorito) pavidalu jis yra vienintelis pramoniniu požiūriu svarbus fluoro šaltinis! Kalcio fluoridas (fluoritas) naudojamas pavienių kristalų pavidalu optikoje (astronominiuose objektyvuose, lęšiuose, prizmėse) ir kaip lazerinė medžiaga. Faktas yra tas, kad vien tik iš kalcio fluorido pagaminti stiklai yra pralaidūs visam spektrui. Kalcio volframatas (scheelitas) pavienių kristalų pavidalu naudojamas lazerinėje technologijoje, taip pat kaip scintiliatorius. Ne mažiau svarbus yra kalcio chloridas CaCl2 – sūrymų, skirtų šaldymo agregatams, traktorių ir kitų transporto priemonių padangų užpildymui, komponentas. Kalcio chlorido pagalba keliai ir šaligatviai valomi nuo sniego ir ledo, šis junginys naudojamas apsaugoti anglį ir rūdą nuo užšalimo transportuojant ir sandėliuojant, mediena impregnuojama jos tirpalu, suteikiant jai atsparumą ugniai. CaCl2 naudojamas betono mišiniuose, siekiant pagreitinti stingimo pradžią, padidinti pradinį ir galutinį betono stiprumą.

Dirbtinai gautas kalcio karbidas CaC2 (kai kaitinamas elektrinėse kalcio oksido krosnyse su koksu) naudojamas acetileno gamybai ir metalų redukcijai, taip pat kalcio cianamido gamybai, kuris savo ruožtu išskiria amoniaką. vandens garų veikimas. Be to, kalcio cianamidas naudojamas karbamido – vertingiausios trąšos ir žaliavos sintetinių dervų gamybai – gamybai. Kaitinant kalcį vandenilio atmosferoje, gaunamas CaH2 (kalcio hidridas), kuris naudojamas metalurgijoje (metalotermijoje) ir vandenilio gamyboje lauke (iš 1 kilogramo kalcio hidrido galima gauti daugiau nei kubinį metrą vandenilio). ), kuris naudojamas, pavyzdžiui, užpildyti balionus. Laboratorinėje praktikoje kalcio hidridas naudojamas kaip energingas reduktorius. Insekticidas kalcio arsenatas, gaunamas neutralizuojant arseno rūgštį kalkėmis, plačiai naudojamas kovojant su medvilniniu straubliuku, menkėmis, tabako kirmėlėmis ir kolorado vabalais. Svarbūs fungicidai yra kalkių-sulfato aerozoliai ir Bordo mišiniai, gaunami iš vario sulfato ir kalcio hidroksido.

Gamyba

Pirmasis metalinio kalcio gavo anglų chemikas Humphrey Davy. 1808 m. jis elektrolizavo šlapių gesintų kalkių Ca (OH) 2 mišinį su gyvsidabrio oksidu HgO ant platinos plokštės, kuri tarnavo kaip anodas (į gyvsidabrį panardinta platinos viela veikė kaip katodas), ko pasekoje Davy gavo kalcio amalgama, pašalindamas iš jos gyvsidabrį, chemikas gavo naują metalą, kurį pavadino kalciu.

Šiuolaikinėje pramonėje laisvas metalinis kalcis gaunamas elektrolizės būdu išlydytą kalcio chloridą CaCl2, kurio dalis yra 75-85% ir kalio chloridą KCl (galima naudoti CaCl2 ir CaF2 mišinį) arba aliumotermiškai redukuojant kalcio oksidą. CaO 1170-1200 °C temperatūroje. Grynas bevandenis kalcio chloridas, reikalingas elektrolizei, gaunamas chloruojant kalcio oksidą kaitinant esant anglims arba dehidratuojant CaCl2 ∙ 6H2O, gautą veikiant kalkakmenį druskos rūgštimi. Elektrolizės procesas vyksta elektrolizės vonelėje, kurioje dedama sausa kalcio chlorido druska ir kalio chloridas, būtinas mišinio lydymosi temperatūrai sumažinti, be priemaišų. Virš vonios dedami grafito blokeliai – kaip katodas veikia anodas, ketaus arba plieno vonia, užpildyta vario-kalcio lydiniu. Elektrolizės procese kalcis virsta vario-kalcio lydiniu, žymiai jį praturtindamas, dalis prisodrinto lydinio nuolat išgaunama, vietoj jo pridedamas lydinys, kuriame nėra kalcio (30-35% Ca), tuo pačiu chloras. sudaro chloro ir oro mišinį (anodo dujas), kuris vėliau patenka į kalkių pieno chloravimą. Praturtintas vario ir kalcio lydinys gali būti naudojamas tiesiogiai kaip lydinys arba siunčiamas gryninti (distiliuoti), kur distiliuojant vakuume (1000–1080 °C temperatūroje ir liekamajame slėgyje 13–20 kPa), metalinis kalcis iš jo gaunamas branduolinis grynumas. Norint gauti labai gryną kalcį, jis distiliuojamas du kartus. Elektrolizės procesas vyksta 680-720 ° C temperatūroje. Faktas yra tai, kad tai yra pati optimaliausia temperatūra elektrolizės procesui – žemesnėje temperatūroje kalcio turintis lydinys išplaukia į elektrolito paviršių, o aukštesnėje temperatūroje kalcis ištirpsta elektrolite, susidarant CaCl. Atliekant elektrolizę skystais katodais iš kalcio ir švino lydinių arba kalcio ir cinko lydiniai kalcio su švinu (guoliams) ir su cinku, naudojami technologijoje, gaunami tiesiogiai (putų betonui gauti – lydiniui sąveikaujant su drėgme, išsiskiria vandenilis ir susidaro porėta struktūra). Kartais procesas atliekamas su atšaldytu geležies katodu, kuris liečiasi tik su išlydyto elektrolito paviršiumi. Išsiskiriant kalciui katodas palaipsniui kyla, iš lydalo ištraukiamas kalcio lazdelė (50-60 cm), apsaugota nuo atmosferos deguonies sukietėjusio elektrolito sluoksniu. „Prilietimo metodu“ gaunamas kalcis, kuris yra stipriai užterštas kalcio chloridu, geležimi, aliuminiu, natriu, valymas atliekamas perlydant argono atmosferoje.

Kitą kalcio gavimo būdą – metaloterminį – dar 1865 metais teoriškai pagrindė garsus rusų chemikas N.N.Beketovas. Aliumoterminis metodas pagrįstas reakcija:

6CaO + 2Al → 3CaO Al2O3 + 3Ca

Briketai spaudžiami iš kalcio oksido mišinio su aliuminio milteliais, dedami į retortą iš chromo-nikelio plieno ir susidaręs kalcis distiliuojamas 1 170-1 200 °C temperatūroje, esant 0,7-2,6 Pa liekamajam slėgiui. Kalcis gaunamas garų pavidalu, kuris vėliau kondensuojamas ant šalto paviršiaus. Alumoterminis kalcio gamybos metodas naudojamas Kinijoje, Prancūzijoje ir daugelyje kitų šalių. Pramoniniu mastu metaloterminis kalcio gamybos metodas buvo pirmasis, kurį JAV panaudojo Antrojo pasaulinio karo metais. Lygiai taip pat kalcio galima gauti redukuojant CaO ferosiliciu arba aliuminio siliciu. Kalcis gaminamas 98–99% grynumo luitų arba lakštų pavidalu.

Abu metodai turi privalumų ir trūkumų. Elektrolitinis metodas yra daugiafunkcis, daug energijos sunaudojantis (1 kg kalcio suvartojama 40-50 kWh energijos), be to, jis nėra saugus aplinkai, reikalaujantis daug reagentų ir medžiagų. Tačiau naudojant šį metodą kalcio išeiga siekia 70-80%, o aliumoterminiu būdu – tik 50-60%. Be to, naudojant metaloterminį kalcio gavimo metodą, minusas yra tas, kad reikia iš naujo distiliuoti, o pliusas yra mažas energijos suvartojimas ir tai, kad nėra dujų ir skysčių kenksmingų išmetimų.

Ne taip seniai buvo sukurtas naujas metalinio kalcio gavimo būdas – jis pagrįstas kalcio karbido termine disociacija: vakuume iki 1750 °C įkaitintas karbidas suyra, susidarant kalcio garams ir kietam grafitui.

Iki XX amžiaus vidurio kalcio metalas buvo gaminamas labai mažais kiekiais, nes jis beveik niekada nebuvo naudojamas. Pavyzdžiui, Jungtinėse Amerikos Valstijose Antrojo pasaulinio karo metais kalcio buvo suvartojama ne daugiau kaip 25 tonas, o Vokietijoje – tik 5-10 tonų. Tik XX amžiaus antroje pusėje, kai paaiškėjo, kad kalcis yra aktyvus daugelio retų ir ugniai atsparių metalų reduktorius, pradėjo sparčiai augti suvartojimas (apie 100 tonų per metus) ir dėl to gamyba. šis metalas. Plėtojant branduolinei pramonei, kur kalcis naudojamas kaip metaloterminio urano redukavimo iš urano tetrafluorido komponentas (išskyrus JAV, kur vietoj kalcio naudojamas magnis), elementų skaičiaus paklausa (apie 2000 tonų per metus) dvidešimt, kaip ir jos gamyba, išaugo daug kartų. Šiuo metu pagrindinėmis kalcio metalo gamintojomis galima laikyti Kiniją, Rusiją, Kanadą ir Prancūziją. Iš šių šalių kalcis siunčiamas į JAV, Meksiką, Australiją, Šveicariją, Japoniją, Vokietiją, Didžiąją Britaniją. Kalcio metalo kainos nuolat kilo, kol Kinija pradėjo gaminti metalą tokiais kiekiais, kad pasaulinėje rinkoje atsirado dvidešimtojo elemento perteklius, dėl ko smarkiai sumažėjo kainos.

Fizinės savybės

Kas yra metalinis kalcis? Kokiomis savybėmis pasižymi šis elementas, kurį 1808 m. gavo anglų chemikas Humphrey Davy, metalas, kurio masė suaugusio žmogaus kūne gali siekti 2 kilogramus?

Paprasta medžiaga kalcis yra sidabriškai baltas lengvasis metalas. Kalcio tankis yra tik 1,54 g / cm3 (esant 20 ° C temperatūrai), o tai yra daug mažesnis nei geležies (7,87 g / cm3), švino (11,34 g / cm3), aukso (19,3 g / cm3) tankis. ) arba platinos (21,5 g / cm3). Kalcis yra net lengvesnis už tokius „nesvarius“ metalus kaip aliuminis (2,70 g/cm3) arba magnis (1,74 g/cm3). Nedaug metalų gali „pasigirti“, kurių tankis yra mažesnis nei dvidešimtojo elemento – natrio (0,97 g / cm3), kalio (0,86 g / cm3), ličio (0,53 g / cm3). Pagal tankį kalcis labai panašus į rubidį (1,53 g/cm3). Kalcio lydymosi temperatūra yra 851 ° C, virimo temperatūra yra 1 480 ° C. Panašios lydymosi temperatūros (nors ir šiek tiek žemesnės) ir virimo temperatūros kitiems šarminių žemių metalams – stronciui (770 °C ir 1380 °C) ir bariui (710 °C ir 1640 °C).

Metalinis kalcis yra dviejų alotropinių modifikacijų: esant normaliai temperatūrai iki 443 °C, α-kalcis su kubine veidų centru, pavyzdžiui, varis, yra stabilus, jo parametrai: a = 0,558 nm, z = 4, erdvės grupė Fm3m, atominė spindulys 1,97 A, joninis spindulys Ca2 + 1,04 A; temperatūrų diapazone 443-842 °C β-kalcis yra stabilus su kubinėmis kūno centruotomis α-geležies tipo gardelėmis, kurių parametrai a = 0,448 nm, z = 2, erdvės grupė Im3m. Standartinė perėjimo nuo α modifikacijos į β modifikaciją entalpija yra 0,93 kJ / mol. Kalcio linijinio plėtimosi temperatūros koeficientas 0-300 °C temperatūros diapazone yra 22 10-6. Dvidešimtojo elemento šilumos laidumas 20 ° C temperatūroje yra 125,6 W / (m K) arba 0,3 cal / (cm sek ° C). Savitoji kalcio šiluma diapazone nuo 0 iki 100 ° C yra 623,9 J / (kg K) arba 0,149 cal / (g ° C). Savitoji kalcio elektrinė varža 20 ° C temperatūroje yra 4,6 10-8 omų m arba 4,6 10-6 omų cm; elemento numerio dvidešimt elektrinės varžos temperatūros koeficientas 4,57 10-3 (esant 20 ° C). Kalcio tamprumo modulis 26 Gn / m2 arba 2600 kgf / mm2; tempiamasis stipris 60 Mn / m2 (6 kgf / mm2); kalcio elastingumo riba yra 4 MN / m2 arba 0,4 kgf / mm2, takumo riba yra 38 MN / m2 (3,8 kgf / mm2); santykinis dvidešimtojo elemento pailgėjimas 50 %; Brinelio kalcio kietumas 200-300 Mn / m2 arba 20-30 kgf / mm2. Palaipsniui didėjant slėgiui, kalcis pradeda rodyti puslaidininkio savybes, bet netampa juo visa to žodžio prasme (šiuo atveju tai irgi nebėra metalas). Toliau didėjant slėgiui, kalcis grįžta į metalinę būseną ir pradeda demonstruoti superlaidumo savybes (superlaidumo temperatūra šešis kartus aukštesnė nei gyvsidabrio, o laidumas yra daug didesnis nei visų kitų elementų). Unikalus kalcio elgesys daugeliu atžvilgių panašus į stroncį (ty periodinėje lentelėje išsaugomos paralelės).

Elementinio kalcio mechaninės savybės nesiskiria nuo kitų metalų šeimos atstovų, kurie yra puikios konstrukcinės medžiagos, savybių: didelio grynumo metalinis kalcis yra plastikinis, gerai presuojamas ir valcuojamas, traukiamas į vielą, kaltas ir apdirbtas – gali būti pasuktas tekinimo staklėmis. Tačiau nepaisant visų šių puikių struktūrinės medžiagos savybių, kalcis nėra toks – visko priežastis yra didelis jo cheminis aktyvumas. Tačiau nereikėtų pamiršti, kad kalcis yra nepakeičiama struktūrinė kaulinio audinio medžiaga, o jo mineralai – statybinė medžiaga jau daugelį tūkstantmečių.

Cheminės savybės

Kalcio atomo išorinio elektroninio apvalkalo konfigūracija yra 4s2, kuri lemia dvidešimtojo elemento valentiškumą junginiuose. Du išorinio sluoksnio elektronai gana lengvai atsiskiria nuo atomų, kurie šiuo atveju paverčiami teigiamais dvigubai įkrautais jonais. Dėl šios priežasties cheminiu aktyvumu kalcis tik šiek tiek nusileidžia šarminiams metalams (kaliui, natriui, ličiui). Kaip ir pastarasis, kalcis jau įprastoje kambario temperatūroje lengvai sąveikauja su deguonimi, anglies dioksidu ir drėgnu oru, pasidengdamas nuobodu pilka CaO oksido ir Ca (OH) 2 hidroksido mišinio plėvele. Todėl kalcis laikomas hermetiškai uždarytame inde po mineralinės alyvos, skysto parafino ar žibalo sluoksniu. Kaitinamas deguonyje ir ore, kalcis užsidega, degdamas ryškiai raudona liepsna ir susidaro bazinis oksidas CaO, kuris yra balta, labai atspari ugniai medžiaga, kurios lydymosi temperatūra yra apie 2600 °C. Kalcio oksidas taip pat žinomas kaip negesintos arba degintos kalkės. Taip pat gaunami kalcio peroksidai – CaO2 ir CaO4. Kalcis reaguoja su vandeniu išskirdamas vandenilį (standartinių potencialų serijoje kalcis yra kairėje nuo vandenilio ir gali jį išstumti iš vandens) ir susidaro kalcio hidroksidas Ca (OH) 2, o šaltame vandenyje. reakcijos greitis palaipsniui mažėja (dėl blogai tirpaus kalcio hidroksido sluoksnio susidarymo):

Ca + 2H2O → Ca (OH) 2 + H2 + Q

Kalcis intensyviau sąveikauja su karštu vandeniu, smarkiai išstumdamas vandenilį ir sudarydamas Ca (OH) 2. Kalcio hidroksidas Ca (OH) 2 yra stipri bazė, šiek tiek tirpi vandenyje. Sotusis kalcio hidroksido tirpalas vadinamas kalkių vandeniu ir yra šarminis. Ore kalkių vanduo greitai tampa drumstas, nes absorbuojamas anglies dioksidas ir susidaro netirpus kalcio karbonatas. Nepaisant tokių audringų procesų, vykstančių dvidešimtojo elemento sąveikos su vandeniu metu, vis dėlto, skirtingai nei šarminių metalų, kalcio sąveikos su vandeniu reakcija vyksta ne taip stipriai – be sprogimų ir užsidegimų. Apskritai kalcio reaktyvumas yra mažesnis nei kitų šarminių žemių metalų.

Kalcis aktyviai jungiasi su halogenais, taip sudarydamas CaX2 tipo junginius - šaltyje jis reaguoja su fluoru, o aukštesnėje nei 400 ° C temperatūroje - su chloru ir bromu, sudarydamas atitinkamai CaF2, CaCl2 ir CaBr2. Šie halogenidai išlydę formuojasi su CaX tipo kalcio monohalogenidais – CaF, CaCl, kuriuose kalcis formaliai yra monovalentinis. Šie junginiai yra stabilūs tik virš dihalogenidų lydymosi temperatūrų (jie yra neproporcingi vėsdami, kai susidaro Ca ir CaX2). Be to, kalcis aktyviai sąveikauja, ypač kaitinamas, su įvairiais nemetalais: kaitinant gaunamas kalcio sulfidas CaS su siera, pastaroji prideda sieros, susidaro polisulfidai (CaS2, CaS4 ir kt.); sąveikaudamas su sausu vandeniliu 300–400 ° C temperatūroje, kalcis sudaro hidridą CaH2 - joninį junginį, kuriame vandenilis yra anijonas. Kalcio hidridas CaH2 yra balta, į druską panaši medžiaga, kuri smarkiai reaguoja su vandeniu, išskirdama vandenilį:

CaH2 + 2H2O → Ca (OH) 2 + 2H2

Kaitinamas (apie 500 ° C) azoto atmosferoje, kalcis užsiliepsnoja ir sudaro nitridą Ca3N2, žinomą dviem kristalinėmis formomis - aukštos temperatūros α ir žemos temperatūros β. Taip pat nitridas Ca3N4 buvo gautas kaitinant kalcio amido Ca (NH2) 2 vakuume. Kaitinamas be prieigos prie oro su grafitu (angliu), siliciu ar fosforu, kalcis suteikia atitinkamai kalcio karbidą CaC2, silicidus Ca2Si, Ca3Si4, CaSi, CaSi2 ir fosfidus Ca3P2, CaP ir CaP3. Dauguma kalcio junginių su nemetalais lengvai suskaidomi vandens:

CaH2 + 2H2O → Ca (OH) 2 + 2H2

Ca3N2 + 6Н2О → 3Са (ОН) 2 + 2NH3

Su boru kalcis sudaro kalcio boridą CaB6, su chalkogenais - chalkogenidus CaS, CaSe, CaTe. Taip pat žinomi polichalkogenidai CaS4, CaS5, Ca2Te3. Kalcis sudaro intermetalinius junginius su įvairiais metalais – aliuminiu, auksu, sidabru, variu, švinu ir kitais. Kalcis, būdamas energingas reduktorius, kaitinant išstumia beveik visus metalus iš oksidų, sulfidų ir halogenidų. Kalcis gerai ištirpsta skystame amoniake NH3, susidarant mėlynam tirpalui, kuriam išgaruojant išsiskiria amoniatas [Ca (NH3) 6] – kietas auksinis metalo laidumo junginys. Kalcio druskos dažniausiai gaunamos rūgščių oksidams sąveikaujant su kalcio oksidu, rūgštims veikiant Ca (OH) 2 arba CaCO3, vykstant mainų reakcijoms vandeniniuose elektrolitų tirpaluose. Daugelis kalcio druskų lengvai tirpsta vandenyje (chloridas CaCl2, bromidas CaBr2, jodidas CaI2 ir nitratas Ca (NO3) 2), beveik visada sudaro kristalinius hidratus. Vandenyje netirpsta fluoridas CaF2, karbonatas CaCO3, sulfatas CaSO4, ortofosfatas Ca3 (PO4) 2, oksalatas CaC2O4 ir kai kurie kiti.

Kalcis

KALCIS-Aš esu; m.[iš lat. calx (calcis) – kalkės] Cheminis elementas (Ca), sidabriškai baltas metalas, kuris yra kalkakmenio, marmuro ir kt.

◁ Kalcis, th, th. K-osios druskos.

(lot. Kalcis), periodinės lentelės II grupės cheminis elementas, reiškia šarminius žemės metalus. Vardas iš lat. calx, genitive calcis yra kalkės. Sidabriškai baltas metalas, tankis 1,54 g / cm 3, t pl 842ºC. Jis lengvai oksiduojasi ore esant normaliai temperatūrai. Pagal paplitimą žemės plutoje ji užima 5 vietą (mineralai kalcitas, gipsas, fluoritas ir kt.). Kaip aktyvus reduktorius, naudojamas U, Th, V, Cr, Zn, Be ir kitiems metalams iš jų junginių gauti, plienui, bronzai ir kt. deoksiduoti. Tai yra antifrikcinių medžiagų dalis. Kalcio junginiai naudojami statyboje (kalkės, cementas), kalcio preparatai – medicinoje.

KALCIS (lot. Kalcis), Ca (skaitykite „kalcis“), cheminis elementas, kurio atominis skaičius 20, yra Mendelejevo periodinės elementų sistemos IIA grupės ketvirtajame periode; atominė masė 40,08. Nurodo šarminių žemių elementų skaičių (cm.ŠARMINIŲ ŽEMĖS METALAI).
Natūralus kalcis susideda iš nuklidų mišinio (cm. NUCLID) kurių masės skaičiai 40 (mišinyje pagal masę 96,94%), 44 (2,09%), 42 (0,667%), 48 (0,187%), 43 (0,135%) ir 46 (0,003%). 4 išorinio elektroninio sluoksnio konfigūracija s 2 ... Beveik visuose junginiuose kalcio oksidacijos laipsnis yra +2 (II valentingumas).
Neutralaus kalcio atomo spindulys yra 0,1974 nm, Ca 2+ jono spindulys yra nuo 0,114 nm (6 koordinavimo numeriui) iki 0,148 nm (koordinacijos numeriui 12). Neutralaus kalcio atomo nuoseklios jonizacijos energijos yra atitinkamai 6,133, 11,872, 50,91, 67,27 ir 84,5 eV. Pagal Paulingo skalę kalcio elektronegatyvumas yra apie 1,0. Laisvasis kalcis yra sidabriškai baltas metalas.
Atradimų istorija
Kalcio junginiai gamtoje randami visur, todėl žmonija su jais pažįstami nuo senų senovės. Kalkės nuo seno naudojamos statybose (cm. LIME)(negesintos kalkės ir užgesintos), kuri ilgą laiką buvo laikoma paprasta medžiaga, „žeme“. Tačiau anglų mokslininkas G. Davy 1808 m (cm. DEVI Humphrey) pavyko iš kalkių ištraukti naują metalą. Tam Davy elektrolizavo šiek tiek sudrėkintų gesintų kalkių mišinį su gyvsidabrio oksidu ir iš prie gyvsidabrio katodo susidariusios amalgamos išskyrė naują metalą, kurį pavadino kalciu (iš lot. calx, genus calcis – kalkės). Rusijoje kurį laiką šis metalas buvo vadinamas "kalkėmis".
Buvimas gamtoje
Kalcis yra vienas gausiausių elementų Žemėje. Jis sudaro 3,38% žemės plutos masės (5 vieta po deguonies, silicio, aliuminio ir geležies). Dėl didelio cheminio aktyvumo laisvojo kalcio gamtoje nėra. Didžioji dalis kalcio yra silikatuose (cm. SILIKATAI) ir aliuminio silikatai (cm. ALUMOSILIKATAI)įvairios uolienos (granitas (cm. GRANITAS), gneisai (cm. GNEISAS) ir tt). Nuosėdinių uolienų pavidalu kalcio junginius sudaro kreida ir kalkakmenis, daugiausia sudaryti iš mineralinio kalcito. (cm. KALCITAS)(CaCO 3). Kristalinė kalcito forma – marmuras – gamtoje sutinkama daug rečiau.
Kalcio mineralai, tokie kaip kalkakmenis, yra gana dažni. (cm. KALKAKMENIS) CaCO 3, anhidritas (cm. ANHIDRITAS) CaSO 4 ir gipsas (cm. GIPSAS) CaSO 4 2H 2 O, fluoritas (cm. FLUORITAS) CaF 2, apatitas (cm. APATITAS) Ca 5 (PO 4) 3 (F, Cl, OH), dolomitas (cm. DOLOMITAS) MgCO 3 · СaCO 3. Kalcio ir magnio druskų buvimas natūraliame vandenyje lemia jo kietumą (cm. VANDENS KIETUMAS)... Nemažai kalcio randama gyvuose organizmuose. Taigi, hidroksilapatitas Ca 5 (PO 4) 3 (OH) arba, kitaip tariant, 3Ca 3 (PO 4) 2 · Ca (OH) 2 - stuburinių gyvūnų, įskaitant žmones, kaulinio audinio pagrindas; daugelio bestuburių lukštai ir lukštai, kiaušinių lukštai ir kt. sudaryti iš kalcio karbonato CaCO 3.
Priėmimas
Metalinis kalcis gaunamas elektrolizės būdu iš CaCl 2 (75–80 %) ir KCl arba iš CaCl 2 ir CaF 2 susidedančio lydalo, taip pat aliuminoterminiu būdu redukuojant CaO 1170–1200 °C temperatūroje:
4CaO + 2Al = CaAl 2O 4 + 3Ca.
Fizinės ir cheminės savybės
Kalcio metalas yra dviejų alotropinių modifikacijų (žr. Allotropy (cm. ALLOTROPIJA)). Iki 443 ° C, a-Ca su kubine į veidą nukreipta gardele yra stabili (parametras a = 0,558 nm), didesnis yra b-Ca su kubine kūno centre esančia a-Fe tipo gardele (parametras a = 0,448 nm). ). Kalcio lydymosi temperatūra yra 839 ° C, virimo temperatūra yra 1484 ° C, tankis yra 1,55 g / cm 3.
Kalcio reaktyvumas yra didelis, bet mažesnis nei visų kitų šarminių žemių metalų. Jis lengvai sąveikauja su ore esančiu deguonimi, anglies dioksidu ir drėgme, todėl metalinio kalcio paviršius dažniausiai būna blankiai pilkas, todėl laboratorijoje kalcis, kaip ir kiti šarminių žemių metalai, paprastai laikomas sandariai uždarytame indelyje po žibalo sluoksnis.
Standartinių potencialų serijoje kalcis yra vandenilio kairėje. Standartinis Ca 2+ / Ca 0 poros elektrodo potencialas yra –2,84 V, todėl kalcis aktyviai reaguoja su vandeniu:
Ca + 2H 2 O = Ca (OH) 2 + H 2.
Įprastomis sąlygomis kalcis reaguoja su aktyviais nemetalais (deguonimi, chloru, bromu):
2Ca + O2 = 2CaO; Ca + Br 2 = CaBr 2.
Kaitinamas ore arba deguonimi, kalcis užsidega. Kaitinamas kalcis sąveikauja su mažiau aktyviais nemetalais (vandeniliu, boru, anglimi, siliciu, azotu, fosforu ir kt.), pvz.:
Ca + H2 = CaH2 (kalcio hidridas),
Ca + 6B = CaB6 (kalcio boridas),
3Ca + N 2 = Ca 3 N 2 (kalcio nitridas)
Ca + 2C = CaC 2 (kalcio karbidas)
3Ca + 2P = Ca 3 P 2 (kalcio fosfidas), taip pat žinomi kalcio fosfidai, kurių kompozicijos yra CaP ir CaP 5;
Taip pat žinomi 2Ca + Si = Ca 2 Si (kalcio silicidas), kalcio silicidai, kurių kompozicijos yra CaSi, Ca 3 Si 4 ir CaSi 2.
Minėtų reakcijų eigą, kaip taisyklė, lydi didelis šilumos kiekis (t.y. šios reakcijos yra egzoterminės). Visuose junginiuose su nemetalais kalcio oksidacijos laipsnis yra +2. Dauguma kalcio junginių su nemetalais yra lengvai skaidomi vandens, pavyzdžiui:
CaH2 + 2H2O = Ca (OH)2 + 2H2,
Ca 3 N 2 + 3H 2 O = 3Ca (OH) 2 + 2NH3.
Kalcio oksidas paprastai yra bazinis. Laboratorijoje ir technologijoje jis gaunamas termiškai skaidant karbonatus:
CaCO 3 = CaO + CO 2.
Techninis kalcio oksidas CaO vadinamas negesintomis kalkėmis.
Jis reaguoja su vandeniu, sudarydamas Ca (OH) 2 ir išskiria didelį šilumos kiekį:
CaO + H 2 O = Ca (OH) 2.
Tokiu būdu gautas Ca (OH) 2 paprastai vadinamas gesintomis kalkėmis arba kalkių pienu. (cm. KALKIŲ PIENAS) dėl to, kad kalcio hidroksido tirpumas vandenyje yra mažas (0,02 mol / l 20 ° C temperatūroje), o jį įpylus į vandenį susidaro balta suspensija.
Sąveikaujant su rūgštiniais oksidais, CaO sudaro druskas, pavyzdžiui:
CaO + CO 2 = CaCO 3; CaO + SO 3 = CaSO 4.
Ca 2+ jonas yra bespalvis. Kai į liepsną įpilama kalcio druskų, liepsna pasidaro raudona.
Kalcio druskos, tokios kaip chloridas CaCl 2, bromidas CaBr 2, jodidas CaI 2 ir nitratas Ca (NO 3) 2, lengvai tirpsta vandenyje. Vandenyje netirpus fluoridas CaF 2, karbonatas CaCO 3, sulfatas CaSO 4, vidutinis ortofosfatas Ca 3 (PO 4) 2, oksalatas CaC 2 O 4 ir kai kurie kiti.
Didelę reikšmę turi tai, kad, priešingai nei vidutinis kalcio karbonatas CaCO 3, rūgštus kalcio karbonatas (bikarbonatas) Ca (HCO 3) 2 tirpsta vandenyje. Gamtoje tai sukelia šiuos procesus. Kai šaltas lietus ar upės vanduo, prisotintas anglies dvideginio, prasiskverbia po žeme ir patenka ant kalkakmenių, tada stebimas jų tirpimas:
CaCO 3 + CO 2 + H 2 O = Ca (HCO 3) 2.
Tose pačiose vietose, kur vanduo, prisotintas kalcio bikarbonato, išeina į žemės paviršių ir yra šildomas saulės spindulių, vyksta priešinga reakcija:
Ca (HCO 3) 2 = CaCO 3 + CO 2 + H 2 O.
Taip gamtoje perduodamos didelės medžiagų masės. Dėl to po žeme gali susidaryti didžiulės smegduobės (žr. Karst (cm. KARST (gamtos reiškinys)), o urvuose susidaro gražūs akmeniniai „varvekliai“ – stalaktitai (cm. STALAKTITAI (mineraliniai dariniai) ir stalagmitai (cm. STALAGMITS).
Ištirpusio kalcio bikarbonato buvimas vandenyje daugiausia lemia laikiną vandens kietumą (cm. VANDENS KIETUMAS)... Jis vadinamas laikinu, nes verdant vandeniui suyra bikarbonatas, nusėda CaCO 3. Šis reiškinys, pavyzdžiui, lemia tai, kad laikui bėgant virdulyje kaupiasi nuosėdos.
Kalcio ir jo junginių naudojimas
Metalinis kalcis naudojamas metaloterminei urano gamybai (cm. Uranas (cheminis elementas), torio (cm. TORIJAS), titanas (cm. TITANIS (cheminis elementas)), cirkonis (cm. CIRKONIS), cezis (cm. CEZIS) ir rubidžio (cm. RUBIDIUM).
Natūralūs kalcio junginiai plačiai naudojami rišiklių (cemento (cm. CEMENTAS), gipso (cm. GIPSAS), kalkės ir kt.). Gesintų kalkių surišimo poveikis pagrįstas tuo, kad laikui bėgant kalcio hidroksidas reaguoja su ore esančiu anglies dioksidu. Vykstant reakcijai susidaro kalcito CaCO 3 smailūs kristalai, kurie išauga į šalia esančius akmenis, plytas, kitas statybines medžiagas ir tarsi suvirina į vientisą visumą. Kristalinis kalcio karbonatas – marmuras yra puiki apdailos medžiaga. Balinimui naudojama kreida. Ketaus gamyboje sunaudojama daug kalkakmenio, nes jie leidžia ugniai atsparias geležies rūdos priemaišas (pavyzdžiui, kvarcinį SiO 2) paversti santykinai mažai tirpstančiais šlakais.
Baliklis yra labai veiksmingas kaip dezinfekavimo priemonė. (cm. BALINIMO MILTELIAI)- "chloras" Ca (OCl) Cl - sumaišytas chloridas ir kalcio hipochloritas (cm. Kalcio hipochloritas) su dideliu oksidaciniu pajėgumu.
Taip pat plačiai naudojamas kalcio sulfatas, esantis tiek bevandenių junginių, tiek kristalinių hidratų pavidalu – vadinamasis „pusiau vandeninis“ sulfatas – alebastras. (cm. Alevizas Fryazinas (Milanas) CaSO 4 · 0,5H 2 O ir dihidrato sulfatas - gipsas CaSO 4 · 2H 2 O. Gipsas plačiai naudojamas statybose, skulptūroje, tinko ir įvairių meno gaminių gamybai. Gipsas taip pat naudojamas medicinoje kaulams tvirtinti lūžus.
Kalcio chloridas CaCl 2 naudojamas kartu su valgomąja druska kelių paviršiams apsaugoti nuo apledėjimo. Kalcio fluoridas CaF 2 yra puiki optinė medžiaga.
Kalcis organizme
Kalcis yra maistinė medžiaga (cm. BIOGENINIAI ELEMENTAI), nuolat esančios augalų ir gyvūnų audiniuose. Svarbus gyvūnų ir žmonių mineralinės apykaitos bei augalų mineralinės mitybos komponentas kalcis atlieka įvairias organizmo funkcijas. Kaip apatito dalis (cm. APATITE), taip pat kalcio sulfatas ir karbonatas sudaro mineralinį kaulinio audinio komponentą. 70 kg sveriančiame žmogaus kūne yra apie 1 kg kalcio. Kalcis dalyvauja jonų kanalų darbe (cm. JONŲ KANALAI), atliekantis medžiagų pernešimą per biologines membranas, perduodant nervinį impulsą (cm. NERVINIS IMPULSAS), kraujo krešėjimo procesuose (cm. KRAUJO RINKIMAS) ir tręšimas. Reguliuoti kalcio apykaitą organizme kalciferoliai (cm. KALCIFEROLIAI)(vitaminas D). Kalcio trūkumas ar perteklius sukelia įvairias ligas – rachitą (cm. RAKETAS), kalcifikacija (cm. KALCINOZĖ) ir kt.. Todėl žmonių maiste kalcio junginių turi būti reikiamu kiekiu (800-1500 mg kalcio per dieną). Didelis kalcio kiekis yra pieno produktuose (pvz., varškėje, sūryje, piene), kai kuriose daržovėse ir kituose maisto produktuose. Kalcio preparatai plačiai naudojami medicinoje.

enciklopedinis žodynas. 2009 .

Įvadas

Kalcio savybės ir panaudojimas

1 Fizinės savybės

2 Cheminės savybės

3 Taikymas

Gauti kalcio

1 Elektrolitinis kalcio ir jo lydinių gamyba

2 Terminis kvitas

3 Vakuuminis terminis kalcio gavimo metodas

3.1 Aliuminioterminis kalcio atgavimo metodas

3.2 Silikoterminis kalcio atgavimo metodas

Praktinė dalis

Bibliografija

Įvadas

Mendelejevo periodinės sistemos II grupės cheminis elementas, atominis skaičius 20, atominė masė 40,08; sidabro-balto lengvo metalo. Natūralus elementas yra šešių stabilių izotopų mišinys: 40Ca, 42Ca, 43Ca, 44Ca, 46Ca ir 48Ca, iš kurių dažniausiai 40 Ca (96, 97%).

Ca junginiai – kalkakmenis, marmuras, gipsas (taip pat kalkės – kalkakmenio degimo produktas) jau senovėje buvo naudojami statybos pramonėje. Iki XVIII amžiaus pabaigos chemikai kalkę laikė paprastu kūnu. 1789 m. A. Lavoisier pasiūlė, kad kalkės, magnezija, baritas, aliuminio oksidas ir silicio dioksidas yra sudėtingos medžiagos. 1808 m. G. Davy, pavedęs šlapių gesintų kalkių mišinį su gyvsidabrio oksidu elektrolizei gyvsidabrio katodu, paruošė amalgamą Ca, o iš jos pašalinęs gyvsidabrį, gavo metalą, pavadintą „Calcium“ (iš lot. calx, genus kalcis - kalkės) ...

Kalcio savybė surišti deguonį ir azotą leido jį panaudoti inertinių dujų valymui ir kaip geteris (Geteris – medžiaga, naudojama dujoms sugerti ir sukurti gilų vakuumą elektroniniuose prietaisuose.) Vakuuminėje radijo įrangoje.

Kalcis taip pat naudojamas vario, nikelio, specialaus plieno ir bronzos metalurgijoje; jie siejami su kenksmingomis sieros, fosforo, anglies pertekliaus priemaišomis. Tais pačiais tikslais naudojami kalcio lydiniai su siliciu, ličiu, natriu, boru ir aliuminiu.

Pramonėje kalcis gaunamas dviem būdais:

) Briketuoto CaO ir Al miltelių mišinio kaitinimas 1200 °C temperatūroje 0,01 - 0,02 mm vakuume. rt. Art.; išskiriama reakcijos metu:

CaO + 2Al = 3CaO Al2O3 + 3Ca

Kalcio garai kondensuojasi ant šalto paviršiaus.

) Cu-Ca lydinys (65% Ca) gaunamas elektrolizės būdu iš CaCl2 ir KCl lydalo skystu vario-kalcio katodu, iš kurio kalcis distiliuojamas 950-1000 °C temperatūroje vakuume 0,1- 0,001 mm Hg.

) Taip pat buvo sukurtas kalcio gamybos būdas, kai šiluminis disociacijos būdas yra kalcio karbidas CaC2.

Kalcio gamtoje gausu įvairių junginių pavidalu. Žemės plutoje jis užima penktą vietą, sudaro 3,25%, dažniausiai randamas CaCO kalkakmenio pavidalu. 3, dolomitas CaCO 3Mg CO 3, gipso CaSO 42H 2O, fosforitas Ca 3(PO 4)2 ir fluoršpato CaF 2, neskaičiuojant didelės kalcio dalies silikatinių uolienų sudėtyje. Jūros vandenyje yra vidutiniškai 0,04 % (masės) kalcio.

Šiame kursiniame darbe nagrinėjamos kalcio savybės ir panaudojimas, taip pat išsamiai nagrinėjama jo gamybos vakuuminių-terminių metodų teorija ir technologija.

. Kalcio savybės ir panaudojimas

.1 Fizinės savybės

Kalcis yra sidabriškai baltas metalas, tačiau ore tamsėja, nes ant jo paviršiaus susidaro oksidas. Tai kalus metalas, kietesnis už šviną. Kristalinė ląstelė ?-forma Ca (stabili esant aplinkos temperatūrai) į veidą orientuota kubinė, a = 5,56 Å ... Atominis spindulys 1,97 Å , joninis spindulys Ca 2+, 1,04Å ... Tankis 1,54 g / cm 3(20 °C). Virš 464 ° C, šešiakampis ?-forma. tp 851 °C, vir. 1482 °C; temperatūros tiesinio plėtimosi koeficientas 22 10 -6 (0-300 °C); šilumos laidumas esant 20 ° C 125,6 W / (m · K) arba 0,3 cal / (cm · sek · ° C); savitoji šiluma (0-100 °C) 623,9 J / (kg K) arba 0,149 cal / (g ° C); elektrinė varža 20 °C temperatūroje 4,6 10 -8omų m arba 4,6 10 -6 omų cm; elektrinės varžos temperatūros koeficientas 4,57 · 10-3 (20 ° C). Tamprumo modulis 26 Gn / m 2(2600 kgf / mm 2); tempiamasis stipris 60 MN/m 2(6 kgf / mm 2); tamprumo riba 4 MN / m 2(0,4 kgf / mm 2), takumo riba 38 MN / m 2(3,8 kgf / mm 2); pailgėjimas 50%; Brinelio kietumas 200-300 Mn/m 2(20-30 kgf / mm 2). Pakankamai gryno kalcis yra plastiškas, gerai presuojamas, valcuotas ir tinkamas pjaustyti.

1.2 Cheminės savybės

Kalcis yra aktyvus metalas. Taigi normaliomis sąlygomis jis lengvai sąveikauja su atmosferos deguonimi ir halogenais:

Ca + O 2= 2 CaO (kalcio oksidas) (1)

Ca + Br 2= CaBr 2(kalcio bromidas). (2)

Kaitinamas kalcis reaguoja su vandeniliu, azotu, siera, fosforu, anglimi ir kitais nemetalais:

Ca + H 2= CaH 2(kalcio hidridas) (3)

Ca + N 2= Ca 3N 2(kalcio nitridas) (4)

Ca + S = CaS (kalcio sulfidas) (5)

Ca + 2 P = Ca 3R 2(kalcio fosfidas) (6)

Ca + 2 C = CaC 2 (kalcio karbidas) (7)

Kalcis lėtai reaguoja su šaltu vandeniu ir labai stipriai su karštu vandeniu, sudarydamas stiprią bazę Ca (OH) 2 :

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

Būdamas energingas reduktorius, kalcis gali pašalinti deguonį arba halogenus iš mažiau aktyvių metalų oksidų ir halogenidų, t.y. turi redukuojančių savybių:

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

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

Kalcis intensyviai reaguoja su rūgštimis ir išsiskiria vandenilis, reaguoja su halogenais, su sausu vandeniliu, sudarydamas CaH hidridą 2... Kaitinant, kalcis su grafitu sudaro CaC karbidą 2... Kalcis gaminamas išlydyto CaCl elektrolizės būdu 2arba aliuminoterminis redukcija vakuume:

6СаО + 2Al = 3Ca + 3CaO Al2 O 3 (11)

Grynas metalas naudojamas Cs, Rb, Cr, V, Zr, Th, U junginių redukavimui į metalus, plienų deoksidacijai.

1.3 Taikymas

Kalcis vis dažniau naudojamas įvairiose pramonės šakose. Pastaruoju metu jis įgijo didelę reikšmę kaip reduktorius ruošiant daugybę metalų.

Grynas metalas. uranas gaunamas redukuojant urano fluoridą metaliniu kalciu. Kalcis arba jo hidridai gali būti naudojami titano oksidams, taip pat cirkonio, torio, tantalo, niobio ir kitų retųjų metalų oksidams redukuoti.

Kalcis yra geras deoksidatorius ir degazatorius vario, nikelio, chromo-nikelio lydinių, specialaus plieno, nikelio ir alavo bronzos gamyboje; pašalina sierą, fosforą, anglį iš metalų ir lydinių.

Kalcis su bismutu sudaro ugniai atsparius junginius, todėl naudojamas švinui iš bismuto išvalyti.

Kalcio dedama į įvairius lengvuosius lydinius. Tai padeda pagerinti luitų paviršių, smulkumą ir sumažinti oksidaciją.

Plačiai paplitę guolių lydiniai, kurių sudėtyje yra kalcio. Švino lydiniai (0,04 % Ca) gali būti naudojami kabelių apvalkalų gamybai.

Technologijoje naudojami antifrikciniai kalcio ir švino lydiniai. Kalcio mineralai yra plačiai naudojami. Taigi, kalkakmenis naudojamas kalkių, cemento, silikatinių plytų gamyboje ir tiesiogiai kaip statybinė medžiaga, metalurgijoje (flux), chemijos pramonėje kalcio karbido, sodos, natrio hidroksido, baliklio, trąšų gamybai, cukraus, stiklo gamyba.

Praktinę reikšmę turi kreida, marmuras, islandinis špagatas, gipsas, fluoritas ir kt. Dėl gebėjimo surišti deguonį ir azotą kalcis arba kalcio lydiniai su natriu ir kitais metalais yra naudojami inertinių dujų valymui ir kaip geteris vakuuminėje radijo įrangoje. Kalcis taip pat naudojamas hidrido, kuris yra vandenilio šaltinis lauke, gamybai.

2. Kalcio gavimas

Yra keli kalcio gavimo būdai, tai elektrolitinis, terminis, vakuuminis-terminis.

.1 Elektrolitinė kalcio ir jo lydinių gamyba

Metodo esmė slypi tame, kad katodas iš pradžių paliečia išlydytą elektrolitą. Sąlyčio vietoje susidaro katodą gerai sudrėkinantis skysto metalo lašelis, kuris, katodui lėtai ir tolygiai pakėlus, kartu su juo pasišalina iš lydalo ir sukietėja. Šiuo atveju kietėjantis lašas padengiamas vientisa elektrolito plėvele, kuri apsaugo metalą nuo oksidacijos ir azotavimo. Nuolat ir atsargiai keliant katodą, kalcis įtraukiamas į strypus.

2.2 Terminis paruošimas

kalcio cheminis elektrolitinis terminis

· Chlorido procesas: technologiją sudaro kalcio chlorido lydymas ir dehidratavimas, švino lydymas, švino-natrio dvigubo lydinio gavimas, švino-natrio-kalcio trijų komponentų lydinio gavimas ir trijų komponentų lydinio skiedžiamas švinu, pašalinus druskas. Reakcija su kalcio chloridu vyksta pagal lygtį

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

· Karbido procesas: Švino ir kalcio lydinio gamyba pagrįsta reakcija tarp kalcio karbido ir išlydyto švino pagal lygtį

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

2.3 Vakuuminis terminis kalcio gavimo metodas

Vakuuminio terminio metodo žaliavos

Kalcio oksido terminio redukavimo žaliava yra kalkės, gautos deginant kalkakmenį. Pagrindiniai reikalavimai žaliavoms yra tokie: kalkės turi būti kuo grynesnės ir joje turi būti kuo mažiau priemaišų, kurias galima sumažinti ir paversti metalu kartu su kalciu, ypač šarminiais metalais ir magniu. Kalkakmenis kalcinuoti reikia prieš visiškai suskaidant karbonatą, bet ne prieš sukepinant, nes sukepintos medžiagos redukcija yra mažesnė. Išdegtas gaminys turi būti apsaugotas nuo drėgmės ir anglies dioksido sugėrimo, kurio išsiskyrimas regeneravimo metu sumažina proceso efektyvumą. Klinčių deginimo ir deginto produkto apdorojimo technologija yra panaši į dolomito apdorojimą silicoterminiu magnio gamybos metodu.

.3.1 Aliuminioterminis kalcio regeneravimo metodas

Daugelio metalų oksidacijos laisvosios energijos kitimo priklausomybės nuo temperatūros diagrama (1 pav.) rodo, kad kalcio oksidas yra vienas iš patvariausių ir sunkiausiai redukuojamų oksidų. Jo negali redukuoti kiti metalai įprastu būdu – esant santykinai žemai temperatūrai ir atmosferos slėgiui. Priešingai, pats kalcis yra puikus reduktorius kitiems sunkiai redukuojamiems junginiams ir daugelio metalų bei lydinių deoksidatorius. Kalcio oksido redukcija anglimi paprastai neįmanoma dėl kalcio karbidų susidarymo. Tačiau dėl to, kad kalcis turi gana aukštą garų slėgį, jo oksidas gali būti redukuojamas vakuume aliuminiu, siliciu ar jų lydiniais pagal reakciją.

CaO + aš? Ca + MeO (14).

Iki šiol praktiškai pritaikytas tik aliuminoterminis kalcio gavimo būdas, nes daug lengviau atkurti CaO su aliuminiu nei su siliciu. Yra įvairių nuomonių apie kalcio oksido redukavimo aliuminiu chemiją. L. Pidgeon ir I. Atkinson mano, kad reakcija vyksta susidarant kalcio monoaliuminatui:

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

V. A. Pazukhin ir A. Ya. Fisher nurodo, kad procesas vyksta formuojant trikalcio aliuminatą:

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

Pasak A.I.

CaO + 6Al = 5CaO 3Al 2O3 + 9Са. (17)

Naujausiais A. Yu. Taitso ir A. I. Voinitskio tyrimais nustatyta, kad aliuminoterminis kalcio redukcija vyksta laipsniškai. Iš pradžių kalcio išsiskyrimą lydi 3CaO AI susidarymas 2O 3, kuris vėliau reaguoja su kalcio oksidu ir aliuminiu, sudarydamas 3CaO 3AI 2O 3... Reakcija vyksta taip:

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

(3СаО Al 2O 3) + 2СаО + 2Аl = 5СаО 3Al 2O 3+ 3 Ca

CaO + 6A1 = 5CaO 3Al 2O 3+ 9Са

Kadangi oksidas redukuojasi išsiskiriant garų kalciui, o likusieji reakcijos produktai yra kondensuoti, jį lengva atskirti ir kondensuoti aušintose krosnies sekcijose. Pagrindinės sąlygos, reikalingos vakuuminiam-terminiam kalcio oksido redukavimui, yra aukšta temperatūra ir žemas liekamasis slėgis sistemoje. Žemiau pateikiamas temperatūros ir pusiausvyros kalcio garų slėgio santykis. Laisvoji reakcijos energija (17), apskaičiuota esant 1124–1728 °K temperatūrai, išreiškiama

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

Taigi, logaritminė priklausomybė nuo pusiausvyros kalcio garų slėgio (mm Hg)

Lg p = 3,59 - 4430 \ T.

L. Pidgeon ir I. Atkinson eksperimentiškai nustatė kalcio pusiausvyros garų slėgį. Išsamią termodinaminę kalcio oksido redukavimo aliuminiu analizę atliko I.I.Matveenko, kuri pateikė tokias kalcio garų pusiausvyros slėgio priklausomybes nuo temperatūros:

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

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

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

Apskaičiuoti ir eksperimentiniai duomenys lyginami lentelėje. 1.

1 lentelė. Temperatūros poveikis kalcio garų pusiausvyros slėgio pokyčiui sistemose (1), (2), (3), (3), mm Hg

Temperatūra ° C Bandymo duomenys Apskaičiuoti sistemose (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

Iš pateiktų duomenų matyti, kad sąveika sistemose (2) ir (3) arba (3 ") vyksta palankiausiomis sąlygomis. Tai atitinka stebėjimus, nes krūvio liekanose vyrauja pentakalcio trialiuminatas ir trikalcio aliuminatas. redukavus kalcio oksidą aliuminiu.

Duomenys apie pusiausvyros elastingumą rodo, kad kalcio oksido redukcija aliuminiu galimas esant 1100-1150 ° C temperatūrai. Norint pasiekti praktiškai priimtiną reakcijos greitį, liekamasis slėgis Growth sistemoje turi būti mažesnis už pusiausvyros slėgį P lygus t.y., nelygybė P lygus > P ost , o procesas turėtų būti atliekamas maždaug 1200 ° temperatūroje. Tyrimais nustatyta, kad esant 1200-1250° temperatūrai pasiekiamas didelis panaudojimas (iki 70-75%) ir mažas savitasis aliuminio suvartojimas (apie 0,6-0,65 kg/kg kalcio).

Remiantis aukščiau pateiktu proceso chemijos aiškinimu, optimali sudėtis yra krūvis, apskaičiuotas 5СаО 3Al susidarymui liekanoje. 2O 3... Norint padidinti aliuminio naudojimo laipsnį, naudinga duoti šiek tiek kalcio oksido pertekliaus, bet ne per didelį (10-20%), kitaip tai neigiamai paveiks kitus proceso rodiklius. Padidėjus aliuminio šlifavimo laipsniui nuo 0,8–0,2 mm dalelių iki minus 0,07 mm (pagal V. A. Pazukhiną ir A. Ya. Fisherį), aliuminio naudojimas reakcijoje padidėja nuo 63,7 iki 78%.

Aliuminio naudojimui įtakos turi ir įkrovimo briketavimo režimas. Kalkių ir aliuminio miltelių mišinys turi būti briketuojamas be rišiklių (siekiant išvengti dujų išsiskyrimo vakuume) esant 150 kg/cm slėgiui. 2... Esant mažesniam slėgiui, aliuminio naudojimas sumažėja dėl išlydyto aliuminio atsiskyrimo pernelyg porėtuose briketuose, o esant didesniam slėgiui – dėl prasto dujų pralaidumo. Atsigavimo baigtumas ir greitis priklauso ir nuo briketų tankio retortoje. Klojant jas be tarpų, kai viso narvo dujų pralaidumas mažas, aliuminio naudojimas gerokai sumažėja.

2 pav. Kalcio gavimo vakuuminiu-terminiu metodu schema.

Aliuminio terminio apdorojimo technologija

Kalcio gamybos aliuminoterminiu metodu technologinė schema parodyta fig. 2. Kaip žaliava naudojama kalkakmenis, o kaip reduktorius iš pirminio (geresnio) arba antrinio aliuminio paruošti aliuminio milteliai. Aliuminis, naudojamas kaip reduktorius, taip pat žaliavos neturi turėti lengvai lakiųjų metalų priemaišų: magnio, cinko, šarmų ir kt., galinčių išgaruoti ir virsti kondensatu. Į tai reikia atsižvelgti renkantis antrinio aliuminio klases.

Remiantis S. Loomiso ir P. Staubo aprašymu, JAV „New England Lime Co.“ gamykloje Kanaane (Konektikutas) kalcis gaunamas aliuminoterminiu būdu. Naudojamos tokios tipinės sudėties kalkės, %: 97,5 CaO, 0,65 MgO, 0,7SiO 2, 0,6 Fe 2Ozas + AlO3, 0,09 Na 2O + K 2O, likusi dalis yra 0,5. Išdegtas produktas sumalamas Raymond malūne su išcentriniu separatoriumi, malimo smulkumas (60%) minus 200 akių. Aliuminio dulkės naudojamos kaip reduktorius, kurios yra aliuminio miltelių gamybos atliekos. Sudegusios kalkės iš uždarų bunkerių ir aliuminis iš statinių tiekiamos į dozavimo skalę, o po to į maišytuvą. Po sumaišymo įkrova sausai briketuojama. Minėtoje gamykloje kalcis redukuojamas retortinėse krosnyse, kurios anksčiau buvo naudojamos magniui gauti silikoterminiu būdu (3 pav.). Krosnys šildomos generatorinėmis dujomis. Kiekvienoje krosnyje yra 20 horizontalių retortų, pagamintų iš ugniai atsparaus plieno, kuriame yra 28% Cr ir 15% Ni.

3 pav. Retortinė krosnelė kalcio gamybai

Retortos ilgis 3 m, skersmuo 254 mm, sienelės storis 28 mm. Atsigavimas vyksta įkaitintoje retortos dalyje, o atvėsusiame iš kalbos išsikišusiame gale susidaro kondensatas. Briketai į retortą įvedami popieriniuose maišeliuose, tada įstatomi kondensatoriai ir retorta uždaroma. Ciklo pradžioje oras ištraukiamas mechaniniais vakuuminiais siurbliais. Tada sujungiami difuziniai siurbliai ir liekamasis slėgis sumažinamas iki 20 mikronų.

Retortos įkaitinamos iki 1200°. Po 12 valandų. po pakrovimo retortos atidaromos ir iškraunamos. Gautas kalcis turi tuščiavidurio cilindro formą, sudarytą iš tankios masės didelių kristalų, nusėdusių ant plieninės movos paviršiaus. Pagrindinė kalcio priemaiša yra magnis, kuris pirmiausia yra sumažintas ir daugiausia koncentruojasi sluoksnyje, esančiame prie įdėklo. Vidutiniškai priemaišų kiekis yra; 0,5-1% Mg, apie 0,2% Al, 0,005-0,02% Mn, iki 0,02% N, kitos priemaišos - Cu, Pb, Zn, Ni, Si, Fe – pasitaiko 0,005-0,04 % ribose. A. Yu. Taits ir AI Voinitskiy naudojo pusiau gamyklinę elektrinę vakuuminę krosnį su anglies šildytuvais, kad gautų kalcį aliuminoterminiu metodu ir pasiekė 60 % aliuminio panaudojimo laipsnį, 0,78 kg savitąjį aliuminio suvartojimą, mokestis atitinkamai 4,35 kg, o savitasis elektros suvartojimas 14 kW / h 1 kg metalo.

Gautas metalas, išskyrus magnio priemaišas, buvo palyginti didelio grynumo. Vidutiniškai jame priemaišų buvo: 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 Silikoterminio regeneravimo metodas kalcio

Silicoterminis metodas yra labai viliojantis; reduktorius yra ferosilicis, reagentas yra daug pigesnis nei aliuminis. Tačiau silikoterminį procesą atlikti sunkiau nei aliuminoterminį. Kalcio oksido redukcija siliciu vyksta pagal lygtį

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

Pusiausvyros kalcio garų slėgis, apskaičiuotas pagal laisvosios energijos vertes, yra:

° С 1300140015001600Р, mm Hg. st0,080,150,752,05

Todėl 0,01 mm Hg vakuume. Art. kalcio oksido redukcija termodinamiškai įmanoma 1300 ° temperatūroje. Praktiškai, norint užtikrinti priimtiną greitį, procesas turėtų būti atliekamas 1400–1500 ° temperatūroje.

Kalcio oksido redukcijos reakcija su silicio-aliuminiu vyksta šiek tiek lengviau, kai redukuojančiais agentais yra ir aliuminis, ir lydinio silicis. Eksperimentais nustatyta, kad pradžioje vyrauja redukcija aliuminiu; ir reakcija vyksta galutinai susidarant bCaO 3Al 2Oz pagal aukščiau pateiktą schemą (1 pav.). Silicio sumažinimas tampa reikšmingas aukštesnėje temperatūroje, kai sureaguoja dauguma aliuminio; reakcija vyksta susidarant 2CaO SiO 2. Apibendrinant, kalcio oksido redukcijos reakcija su aliuminio silicio dioksidu išreiškiama tokia lygtimi:

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

A. Yu. Taitso ir A. I. Voinitskio tyrimais nustatyta, kad kalcio oksidas redukuojamas 75% ferosilicio, kurio metalo išeiga yra 50–75%, esant 1400–1450 ° temperatūrai 0,01–0,03 mm Hg vakuume. Art.; Silicio-aliuminis, kuriame yra 60-30% Si ir 32-58% Al (likusi dalis yra geležis, titanas ir kt.), redukuoja kalcio oksidą, kurio metalo išeiga yra apie 70%, esant 1350-1400 ° temperatūrai vakuume 0,01- 0,05 mm Hg... Art. Pusiau gamyklos mastu atlikti eksperimentai įrodė esminę galimybę gauti kalcio iš kalkių naudojant ferosilicio ir aliuminio silicio dioksidą. Pagrindinis instrumentinis sunkumas yra stovo pasirinkimas šio pamušalo proceso sąlygomis.

Sprendžiant šią problemą, metodas gali būti įdiegtas pramonėje. Kalcio karbido skilimas Metalinio kalcio gavimas skaidant kalcio karbidą

CaC2 = Ca + 2C

reikėtų priskirti perspektyviems metodams. Šiuo atveju grafitas gaunamas kaip antrasis produktas. V. Mauderly, E. Moser ir V. Treadwell, pagal termocheminius duomenis apskaičiavę laisvąją kalcio karbido susidarymo energiją, gavo tokią kalcio garų slėgio prieš gryną kalcio karbidą išraišką:

apytiksliai = 1,35–4505 \ T (1124–1712 °K),

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

Matyt, komercinis kalcio karbidas suyra žymiai aukštesnėje temperatūroje, nei matyti iš šių išraiškų. Tie patys autoriai praneša apie kalcio karbido terminį skilimą kompaktiškais gabalėliais 1600–1800 ° temperatūroje 1 mm Hg vakuume. Art. Grafito išeiga buvo 94%, kalcis buvo gautas tankių nuosėdų pavidalu ant šaldytuvo. A. S. Mikulinsky, F. S. Morii, R. Sh. Shklyar grafito, gauto skaidant kalcio karbidą, savybėms nustatyti, pastarąjį kaitino 0,3-1 mm Hg vakuume. Art. 1630-1750 ° temperatūroje. Gautas grafitas skiriasi nuo Acheson grafito didesniais grūdeliais, didesniu elektros laidumu ir mažesniu tūriniu tankiu.

3. Praktinė dalis

Kasdienis magnio išpylimas iš elektrolizatoriaus, kurio srovės stipris yra 100 kA, buvo 960 kg, kai vonia buvo maitinama magnio chloridu. Elektrolizatoriaus pokšto įtampa yra 0,6 V. Nustatykite:

)Srovės išėjimas prie katodo;

)Chloro kiekis, gaunamas per dieną, su sąlyga, kad srovė anode yra lygi srovės išėjimui ktode;

)Kasdienis MgCl užpildymas 2į elektrolizatorių, su sąlyga, kad MgCl netektų 2 daugiausia susidaro su dumblu ir dūmais. Dumblo kiekis 0,1 1 tonai Mg, kuriame yra MgCl 2 sublimuotame 50 proc. Sublimato kiekis yra 0,05 tonos 1 tonai Mg. Pilto magnio chlorido sudėtis, %: 92 MgCl2 ir 8 NaCl.

.Nustatykite katodo srovės išėjimą:

m NS = aš ? K Mg · ?

?= m NS \ aš ?K Mg = 960 000 \ 100 000 0,454 24 = 0,881 arba 88,1 %

.Nustatykite per dieną gautą Cl kiekį:

x = 960 000 g \ 24 g \ mol = 40 000 mol

Mes verčiame į tomą:

x = 126 785,7 m3

3.a) Raskite gryną MgCl 2, 960 kg Mg gamybai.

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

b) nuostoliai su dumblu. Iš magnio elektrolizatorių sudėties, %: 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 shl = 960 kg – dumblo masė per dieną.

96 kg dumblo per dieną: 96 0,35 (MgCl2 su dumblu).

c) nuostoliai su sublimatais:

kg - 1000 kg

kg sublimuotų: 48 0,5 = 24 kg MgCl 2 su sublimatoriais.

Iš viso reikia užpildyti Mg:

33,6 + 24 = 3810,6 kg MgCl2 per dieną

Bibliografija

Metalurgijos pagrindai III

<#"justify">metalurgija Al ir Mg. Vetyukovas M.M., Tsyplokovas A.M.

Mokymas

Reikia pagalbos tyrinėjant temą?

Mūsų ekspertai patars arba teiks kuravimo paslaugas jus dominančiomis temomis.
Siųsti prašymą nurodant temą jau dabar, kad sužinotumėte apie galimybę gauti konsultaciją.

Natūralūs kalcio junginiai (kreida, marmuras, kalkakmenis, gipsas) ir paprasčiausio jų apdorojimo produktai (kalkės) žmonėms žinomi nuo seno. 1808 m. anglų chemikas Humphrey Davy gyvsidabrio katodu elektrolizavo šlapias gesintas kalkes (kalcio hidroksidą) ir gavo kalcio amalgamą (kalcio ir gyvsidabrio lydinį). Iš šio lydinio, distiliavęs gyvsidabrį, Davy gavo gryną kalcį.
Jis taip pat pasiūlė naujo cheminio elemento pavadinimą, kilusį iš lotyniško „calx“, reiškiančio kalkakmenio, kreidos ir kitų minkštų akmenų pavadinimą.

Būti gamtoje ir gauti:

Kalcis yra penktas pagal gausumą elementas žemės plutoje (daugiau nei 3%), sudaro daugybę uolienų, kurių daugelis yra kalcio karbonato pagrindu. Kai kurios iš šių uolienų yra organinės kilmės (apvalkalo uoliena), o tai rodo svarbų kalcio vaidmenį laukinėje gamtoje. Natūralus kalcis yra 6 izotopų, kurių masės skaičius yra nuo 40 iki 48, mišinys, o 40 Ca sudaro 97% viso kiekio. Branduolinių reakcijų būdu buvo gauti ir kiti kalcio izotopai, pavyzdžiui, radioaktyvūs 45 Ca.
Norint gauti paprastą kalcio medžiagą, naudojama jo druskų lydalo elektrolizė arba aliumotermija:
4CaO + 2Al = Ca (AlO 2) 2 + 3Ca

Fizinės savybės:

Sidabriškai pilkas metalas su kubinėmis vidinėmis grotelėmis, žymiai kietesnis už šarminius metalus. Lydymosi temperatūra 842 °C, virimo temperatūra 1484 °C, tankis 1,55 g / cm3. Esant aukštam slėgiui ir temperatūrai, apie 20 K pereina į superlaidžią būseną.

Cheminės savybės:

Kalcis nėra toks aktyvus kaip šarminiai metalai, tačiau jį reikia laikyti po mineralinės alyvos sluoksniu arba sandariai uždarytuose metaliniuose statiniuose. Jau įprastoje temperatūroje jis reaguoja su ore esančiu deguonimi ir azotu, taip pat su vandens garais. Kaitinamas, jis dega ore raudonai oranžine liepsna, sudarydamas oksidą su nitridų priemaiša. Kaip ir magnis, kalcis toliau dega anglies dioksido atmosferoje. Kaitinamas, jis reaguoja su kitais nemetalais, sudarydamas junginius, kurių sudėtis ne visada akivaizdi, pavyzdžiui:
Ca + 6B = CaB 6 arba Ca + P => Ca 3 P 2 (taip pat CaP arba CaP 5)
Visuose jo junginiuose kalcio oksidacijos būsena yra +2.

Svarbiausios jungtys:

Kalcio oksidas CaO- („negesintos kalkės“) balta medžiaga, šarminis oksidas, energingai reaguoja su vandeniu („gesina“), virsdama hidroksidu. Gaunamas terminio kalcio karbonato skaidymo būdu.

Kalcio hidroksidas Ca (OH) 2- ("gesintų kalkių") balti milteliai, mažai tirpūs vandenyje (0,16 g / 100 g), stiprus šarmas. Anglies dioksidui aptikti naudojamas tirpalas („kalkių vanduo“).

Kalcio karbonatas CaCO 3- daugelio natūralių kalcio mineralų (kreidos, marmuro, kalkakmenio, kriauklių uolienų, kalcito, Islandijos špagos) pagrindas. Gryna balta arba bespalvė medžiaga. kristalai, Kaitinant (900-1000 C) suyra, susidaro kalcio oksidas. Nep-rim, reaguoja su rūgštimis, gali ištirpti vandenyje, prisotintame anglies dioksido, virsdamas bikarbonatu: CaCO 3 + CO 2 + H 2 O = Ca (HCO 3) 2. Atvirkštinis procesas veda prie kalcio karbonato nuosėdų, ypač tokių darinių kaip stalaktitai ir stalagmitai.
Jis taip pat natūraliai randamas dolomite CaCO 3 * MgCO 3

Kalcio sulfatas CaSO 4- balta medžiaga, gamtoje CaSO 4 * 2H 2 O ("gipsas", "selenitas"). Pastarasis atsargiai kaitinant (180 C) virsta CaSO 4 * 0,5H 2 O ("degintas gipsas", "alabastras") – balti milteliai, sumaišius su vandeniu vėl susidaro CaSO 4 * 2H 2 O formoje. iš tvirtos, pakankamai tvirtos medžiagos. Šiek tiek tirpsta vandenyje, sieros rūgšties perteklius gali ištirpti, sudarydamas hidrosulfatą.

Kalcio fosfatas Ca 3 (PO 4) 2- ("fosforitas"), netirpus, veikiant stiprioms rūgštims pereina į labiau tirpius kalcio hidro- ir divandenilio fosfatus. Fosforo, fosforo rūgšties, fosforo trąšų gamybos žaliava. Kalcio fosfatai taip pat įtraukti į apatitus – natūralius junginius, kurių apytikslė formulė Ca 5 3 Y, kur Y = F, Cl arba OH, atitinkamai fluoro, chloro arba hidroksiapatitas. Kartu su fosforitu apatitas yra daugelio gyvų organizmų skeleto dalis, įskaitant. ir asmuo.

Kalcio fluoridas CaF 2 - (natūralus.:„fluoritas“, „fluoršpatas“), netirpi baltos spalvos medžiaga. Natūralūs mineralai dėl priemaišų yra įvairių spalvų. Šviečia tamsoje kaitinant ir veikiant UV spinduliuotei. Padidina šlakų sklandumą ("lydumą") gaunant metalus, o tai yra dėl jo naudojimo kaip srauto.

Kalcio chloridas CaCl 2- bespalvis. krist. in-in well-r-rim vandenyje. Sudaro kristalinį hidratą CaCl 2 * 6H 2 O. Bevandenis („lydytas“) kalcio chloridas yra geras sausiklis.

Kalcio nitratas Ca (NO 3) 2- ("kalcio nitratas") bespalvis. krist. in-in well-r-rim vandenyje. Neatsiejama pirotechnikos kompozicijų dalis, suteikianti liepsnai raudonai oranžinę spalvą.

Kalcio karbidas CaС 2- reaguoja su vandeniu, sudarydamas tami acetileną, pvz.: CaC 2 + H 2 O = C 2 H 2 + Ca (OH) 2

Taikymas:

Metalinis kalcis naudojamas kaip stiprus reduktorius gaminant tam tikrus sunkiai redukuojamus metalus („kalciotermiją“): chromą, REE, torią, uraną ir kt. Vario, nikelio, specialaus plieno ir bronzos, kalcio ir bronzos metalurgijoje. jo lydiniai naudojami kenksmingoms sieros, fosforo, anglies pertekliaus priemaišoms pašalinti.
Kalcis taip pat naudojamas nedideliam deguonies ir azoto kiekiui surišti esant dideliam vakuumui ir inertinių dujų valymui.
Neutronų perteklius 48 Ca jonai naudojami naujų cheminių elementų sintezei, pavyzdžiui, elementas Nr. 114,. Kitas kalcio izotopas – 45 Ca – naudojamas kaip radioaktyvioji etiketė tiriant kalcio biologinį vaidmenį ir jo migraciją aplinkoje.

Pagrindinė daugelio kalcio junginių taikymo sritis yra statybinių medžiagų (cemento, statybinių mišinių, gipso kartono ir kt.) gamyba.

Kalcis yra vienas iš makroelementų gyvų organizmų sudėtyje, sudarantis junginius, reikalingus tiek vidiniam stuburinių skeletui, tiek išoriniam daugelio bestuburių – kiaušinių lukštui – sukurti. Kalcio jonai taip pat dalyvauja reguliuojant tarpląstelinius procesus, sukelia kraujo krešėjimą. Kalcio trūkumas vaikystėje sukelia rachitą, vyresnio amžiaus žmonėms – osteoporozę. Kalcio šaltinis – pieno produktai, grikiai, riešutai, prie jo įsisavinimo prisideda vitaminas D. Trūkstant kalcio vartojami įvairūs vaistai: kalceksas, kalcio chlorido tirpalas, kalcio gliukonatas ir kt.
Kalcio masės dalis žmogaus organizme yra 1,4-1,7%, paros poreikis yra 1-1,3 g (priklausomai nuo amžiaus). Per didelis kalcio suvartojimas gali sukelti hiperkalcemiją – jo junginių nusėdimą vidaus organuose, kraujo krešulių susidarymą kraujagyslėse. Šaltiniai:
Kalcis (elementas) // Vikipedija. URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/Calcium (prisijungimo data: 2014-01-03).
Populiari cheminių elementų biblioteka: Kalcis. // URL: http://n-t.ru/ri/ps/pb020.htm (2014 01 3).

APIBRĖŽIMAS

Kalcis- dvidešimtas periodinės lentelės elementas. Pavadinimas – Ca iš lotyniško žodžio „kalcis“. Įsikūręs ketvirtajame periode, IIA grupė. Nurodo metalus. Šerdies įkrova yra 20.

Kalcis yra vienas gausiausiai gamtoje esančių elementų. Žemės plutoje jo yra apie 3% (masės). Jis susidaro daugybės kalkakmenio ir kreidos nuosėdų, taip pat marmuro, kurie yra natūralios kalcio karbonato CaCO 3 atmainos, pavidalu. Taip pat dideli kiekiai gipso CaSO 4 × 2H 2 O, fosforito Ca 3 (PO 4) 2 ir galiausiai įvairių kalcio turinčių silikatų.

Paprastos medžiagos pavidalo kalcis yra kalus, gana kietas baltas metalas (1 pav.). Ore jis greitai pasidengia oksido sluoksniu, o kaitinamas perdega ryškia rausva liepsna. Kalcis su šaltu vandeniu reaguoja gana lėtai, tačiau greitai išstumia vandenilį iš karšto vandens, sudarydamas hidroksidą.

Ryžiai. 1. Kalcis. Išvaizda.

Kalcio atominė ir molekulinė masė

Medžiagos santykinė molekulinė masė (M r) yra skaičius, rodantis, kiek kartų tam tikros molekulės masė yra didesnė nei 1/12 anglies atomo masės, ir santykinė elemento atominė masė (Ar). kiek kartų vidutinė cheminio elemento atomų masė yra didesnė nei 1/12 anglies atomo masės.

Kadangi laisvoje būsenoje kalcis egzistuoja monoatominių Ca molekulių pavidalu, jo atominės ir molekulinės masės reikšmės sutampa. Jie lygūs 40,078.

Kalcio izotopai

Yra žinoma, kad gamtoje kalcis gali būti keturių stabilių izotopų 40 Ca, 42 Ca, 43 Ca, 44 Ca, 46 Ca ir 48 Ca pavidalu, aiškiai vyrauja izotopas 40 Ca (99,97%). Jų masės skaičiai yra atitinkamai 40, 42, 43, 44, 46 ir 48. 40 Ca izotopų izotopų branduolyje yra dvidešimt protonų ir dvidešimt neutronų, o likusieji izotopai nuo jo skiriasi tik neutronų skaičiumi.

Yra dirbtinių kalcio izotopų, kurių masės skaičius yra nuo 34 iki 57, tarp kurių stabiliausias yra 41 Ca, kurio pusinės eliminacijos laikas yra 102 tūkst.

Kalcio jonai

Išoriniame kalcio atomo energijos lygyje yra du elektronai, kurie yra valentiniai:

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

Dėl cheminės sąveikos kalcis atiduoda savo valentinius elektronus, t.y. yra jų donoras ir virsta teigiamai įkrautu jonu:

Ca 0 -2e → Ca 2+.

Kalcio molekulė ir atomas

Laisvoje būsenoje kalcis egzistuoja monoatominių Ca molekulių pavidalu. Štai keletas savybių, apibūdinančių kalcio atomą ir molekulę:

Kalcio lydiniai

Kai kuriuose švino lydiniuose kalcis naudojamas kaip legiravimo komponentas.

Problemų sprendimo pavyzdžiai

1 PAVYZDYS