In welke periode bevindt calcium zich? Chemische en fysische eigenschappen van calcium, de interactie met water

Calcium is een element van de hoofdsubgroep van de tweede groep, de vierde periode van het periodiek systeem van chemische elementen, met atoomnummer 20. Het wordt aangeduid met het symbool Ca (lat. Calcium). De eenvoudige stof calcium (CAS-nummer: 7440-70-2) is een zacht, reactief, zilverwit aardalkalimetaal.

Geschiedenis en oorsprong van de naam

De naam van het element komt van lat. calx (in genitief calcis) - "kalk", "zachte steen". Het werd voorgesteld door de Engelse chemicus Humphrey Davy, die in 1808 calciummetaal door de elektrolytische methode isoleerde. Davy elektrolyseerde een mengsel van natte gebluste kalk met kwikoxide HgO op een platinaplaat, die de anode was. Een platinadraad ondergedompeld in vloeibaar kwik diende als kathode. Als resultaat van elektrolyse werd calciumamalgaam verkregen. Nadat hij er kwik uit had verdreven, ontving Davy een metaal genaamd calcium.
Calciumverbindingen - kalksteen, marmer, gips (evenals kalk - een product van brandende kalksteen) worden al duizenden jaren geleden in de bouw gebruikt. Tot het einde van de 18e eeuw beschouwden chemici kalk als een eenvoudig lichaam. In 1789 suggereerde A. Lavoisier dat kalk, magnesia, bariet, aluminiumoxide en silica complexe stoffen zijn.

Bon

Vrij metallisch calcium wordt verkregen door elektrolyse van een smelt bestaande uit CaCl 2 (75-80%) en KCl of uit CaCl 2 en CaF 2, evenals aluminothermische reductie van CaO bij 1170-1200 ° C:
4CaO + 2Al → CaAl 2 O 4 + 3Ca.

Fysieke eigenschappen

Calciummetaal bestaat in twee allotrope modificaties. Tot 443 °C is α-Ca met een kubisch vlak-gecentreerd rooster stabiel (parameter a = 0,558 nm), daarboven is β-Ca stabiel met een kubisch lichaam-gecentreerd rooster van het α-Fe-type (parameter a = 0,448 nm). De standaard enthalpie ΔH 0 van de α → β-overgang is 0,93 kJ/mol.
Met een geleidelijke drukverhoging begint het de eigenschappen van een halfgeleider te vertonen, maar wordt het geen halfgeleider in de volledige zin van het woord (het is ook geen metaal meer). Met een verdere drukverhoging keert het terug naar de metallische toestand en begint het supergeleidende eigenschappen te vertonen (de supergeleidingstemperatuur is zes keer hoger dan die van kwik en overtreft alle andere elementen qua geleidbaarheid). Uniek gedrag calcium is in veel opzichten vergelijkbaar met strontium (d.w.z. de parallellen in het periodiek systeem blijven behouden).

Chemische eigenschappen

Calcium is een typisch aardalkalimetaal. De chemische activiteit van calcium is hoog, maar lager dan die van alle andere aardalkalimetalen. Het reageert gemakkelijk met zuurstof, kooldioxide en vocht in de lucht, daarom is het oppervlak van calciummetaal meestal dof grijs, dus calcium wordt meestal in het laboratorium opgeslagen, net als andere aardalkalimetalen, in een goed gesloten pot onder een laag van kerosine of vloeibare paraffine.

Ufa State Petroleum Technical University

Afdeling Generaal en analytische scheikunde»

Presentatie over: "Het element calcium. Eigenschappen, verkrijgen, toepassing "

Voorbereid door een leerling van de groep BTS-11-01 Prokaev G.L.

Universitair hoofddocent Krasko S.A.

Invoering

Geschiedenis en oorsprong van de naam

In de natuur zijn

Bon

Fysieke eigenschappen

Chemische eigenschappen

Toepassingen van metallisch calcium

Het gebruik van calciumverbindingen

biologische rol

Conclusie

Bibliografie

Invoering

Calcium is een element van de hoofdsubgroep van de tweede groep, de vierde periode van het periodiek systeem chemische elementen D. I. Mendelejev, met atoomnummer 20. Aangeduid met het symbool Ca (lat. Calcium). De eenvoudige stof calcium (CAS-nummer: 7440-70-2) is een zacht, reactief, zilverwit aardalkalimetaal.

Calcium wordt een aardalkalimetaal genoemd, het is geclassificeerd als een S-element. Op het externe elektronische niveau heeft calcium twee elektronen, dus het geeft verbindingen: CaO, Ca (OH) 2, CaCl2, CaSO4, CaCO3, enz. Calcium behoort tot typische metalen - het heeft een hoge affiniteit voor zuurstof, reduceert bijna alle metalen uit hun oxiden en vormt een vrij sterke base Ca (OH) 2.

Ondanks de alomtegenwoordigheid van element #20, hebben zelfs scheikundigen geen elementair calcium gezien. Maar dit metaal, zowel extern als qua gedrag, is helemaal niet vergelijkbaar met alkalimetalen, waarmee contact gepaard gaat met het gevaar van brand en brandwonden. Het kan veilig in de lucht worden bewaard, het ontbrandt niet door water.

Elementair calcium wordt bijna nooit gebruikt als constructiemateriaal. Daar is hij te actief voor. Calcium reageert gemakkelijk met zuurstof, zwavel, halogenen. Zelfs met stikstof en waterstof reageert het onder bepaalde omstandigheden. De omgeving van koolstofoxiden, inert voor de meeste metalen, is agressief voor calcium. Het brandt in een atmosfeer van CO en CO2.

Geschiedenis en oorsprong van de naam

Calciumverbindingen - kalksteen, marmer, gips (evenals kalk - een product van brandende kalksteen) worden al duizenden jaren geleden in de bouw gebruikt. Tot het einde van de 18e eeuw beschouwden chemici kalk als een eenvoudig lichaam. In 1789 suggereerde A. Lavoisier dat kalk, magnesia, bariet, aluminiumoxide en silica complexe stoffen zijn.

In de natuur zijn

Vanwege de hoge chemische activiteit van calcium wordt het in de vrije vorm niet in de natuur gevonden.

Calcium is goed voor 3,38% van de massa van de aardkorst (5e plaats in overvloed na zuurstof, silicium, aluminium en ijzer).

isotopen. Calcium komt in de natuur voor als een mengsel van zes isotopen: 40Ca, 42Ca, 43Ca, 44Ca, 46Ca en 48Ca, waarvan de meest voorkomende - 40Ca - 96,97% is.

Van de zes natuurlijk voorkomende calciumisotopen zijn er vijf stabiel. Van de zesde 48Ca-isotoop, de zwaarste van de zes en uiterst zeldzaam (de hoeveelheid isotopen is slechts 0,187%), werd onlangs ontdekt dat het dubbel bètaverval ondergaat met een halfwaardetijd van 5,3 ×1019 jaar.

in gesteenten en mineralen. Het meeste calcium zit in de samenstelling van silicaten en aluminosilicaten van verschillende gesteenten (granieten, gneis, enz.), vooral in veldspaat - anorthiet Ca.

In de vorm van sedimentair gesteente worden calciumverbindingen weergegeven door krijt en kalksteen, voornamelijk bestaande uit het mineraal calciet (CaCO3). De kristallijne vorm van calciet - marmer - komt in de natuur veel minder vaak voor.

Calciummineralen zoals calciet CaCO3, anhydriet CaSO4, albast CaSO4 0,5H2O en gips CaSO4 2H2O, fluoriet CaF2, apatiet Ca5(PO4)3(F,Cl,OH), dolomiet MgCO3 CaCO3 zijn vrij wijdverbreid. De aanwezigheid van calcium- en magnesiumzouten in natuurlijk water bepaalt de hardheid ervan.

Calcium, dat krachtig migreert in de aardkorst en zich ophoopt in verschillende geochemische systemen, vormt 385 mineralen (vierde qua aantal mineralen).

Migratie in de aardkorst. Bij de natuurlijke migratie van calcium wordt een belangrijke rol gespeeld door het "carbonaatevenwicht", geassocieerd met de omkeerbare reactie van de interactie van calciumcarbonaat met water en koolstofdioxide met de vorming van oplosbaar bicarbonaat:

CaCO3 + H2O + CO2 ↔ Ca (HCO3) 2 ↔ Ca2+ + 2HCO3ˉ

(het evenwicht verschuift naar links of rechts afhankelijk van de concentratie kooldioxide).

biogene migratie. In de biosfeer komen calciumverbindingen voor in bijna alle dierlijke en plantaardige weefsels (zie ook hieronder). Een aanzienlijke hoeveelheid calcium maakt deel uit van levende organismen. Dus hydroxyapatiet Ca5 (PO4) 3OH, of, in een ander item, 3Ca3 (PO4) 2 Ca (OH) 2 - de basis botweefsel gewervelde dieren, inclusief mensen; schalen en schalen van veel ongewervelde dieren, eierschalen, enz. zijn samengesteld uit calciumcarbonaat CaCO3 In levende weefsels van mens en dier, 1,4-2% Ca (in massafractie); in een menselijk lichaam dat 70 kg weegt, is het calciumgehalte ongeveer 1,7 kg (voornamelijk in de samenstelling van de intercellulaire substantie van botweefsel).

Bon

Vrij metallisch calcium wordt verkregen door elektrolyse van een smelt bestaande uit CaCl2 (75-80%) en KCl of uit CaCl2 en CaF2, evenals door aluminothermische reductie van CaO bij 1170-1200 °C:

CaO + 2Al = CaAl2O4 + 3Ca.

Er is ook een methode ontwikkeld om calcium te verkrijgen door thermische dissociatie van calciumcarbide CaC2

Fysieke eigenschappen

Calciummetaal bestaat in twee allotrope modificaties. Bestand tot 443°C α -Ca met kubisch rooster, hoger stabiel β-Ca met een kubisch lichaam-gecentreerd rooster van het type α -Fe. Standaard enthalpie ΔH0 overgang α → β bedraagt 0,93 kJ/mol.

Calcium is een licht metaal (d = 1,55), zilverwit van kleur. Het is harder en smelt bij een hogere temperatuur (851°C) dan natrium, dat ernaast staat in het periodiek systeem. Dit komt omdat er twee elektronen per calciumion in het metaal zijn. Daarom is de chemische binding tussen ionen en elektronengas sterker dan die van natrium. Bij chemische reacties valentie-elektronen van calcium gaan naar de atomen van andere elementen. In dit geval worden dubbel geladen ionen gevormd.

Chemische eigenschappen

In de reeks standaardpotentialen bevindt calcium zich links van waterstof. De standaard elektrodepotentiaal van het Ca2+/Ca0-paar is −2,84 V, zodat calcium actief reageert met water, maar zonder ontsteking:

2H2O \u003d Ca (OH) 2 + H2 + Q.

Met actieve niet-metalen (zuurstof, chloor, broom) reageert calcium onder normale omstandigheden:

Ca + O2 = 2CaO, Ca + Br2 = CaBr2.

Bij verhitting in lucht of zuurstof ontbrandt calcium. Met minder actieve niet-metalen (waterstof, boor, koolstof, silicium, stikstof, fosfor en andere), reageert calcium bij verhitting, bijvoorbeeld:

Ca + H2 = CaH2, Ca + 6B = CaB6,

Ca + N2 = Ca3N2, Ca + 2C = CaC2,

Ca + 2P = Ca3P2 (calciumfosfide),

calciumfosfiden van CaP- en CaP5-samenstellingen zijn ook bekend;

Ca + Si = Ca2Si (calciumsilicide),

Calciumsiliciden van de samenstellingen CaSi, Ca3Si4 en CaSi2 zijn ook bekend.

Het verloop van de bovenstaande reacties gaat in de regel gepaard met het vrijkomen van een grote hoeveelheid warmte (dat wil zeggen, deze reacties zijn exotherm). In alle verbindingen met niet-metalen is de oxidatietoestand van calcium +2. De meeste calciumverbindingen met niet-metalen worden gemakkelijk afgebroken door water, bijvoorbeeld:

CaH2 + 2H2O \u003d Ca (OH) 2 + 2H2, N2 + 3H2O \u003d 3Ca (OH) 2 + 2NH3.

Het Ca2+-ion is kleurloos. Wanneer oplosbare calciumzouten aan de vlam worden toegevoegd, wordt de vlam steenrood.

Calciumzouten zoals CaCl2 chloride, CaBr2 bromide, CaI2 jodide en Ca(NO3)2 nitraat zijn zeer goed oplosbaar in water. CaF2-fluoride, CaCO3-carbonaat, CaSO4-sulfaat, Ca3 (PO4) 2-orthofosfaat, CaC2O4-oxalaat en enkele andere zijn onoplosbaar in water.

Belangrijk is het feit dat, in tegenstelling tot calciumcarbonaat CaCO3, zuur calciumcarbonaat (hydrocarbonaat) Ca(HCO3) 2 oplosbaar is in water. In de natuur leidt dit tot de volgende processen. Wanneer koude regen of rivierwater, verzadigd met koolstofdioxide, ondergronds doordringt en op kalksteen valt, wordt hun ontbinding waargenomen:

CaCO3 + CO2 + H2O \u003d Ca (HCO3) 2.

Op dezelfde plaatsen waar water verzadigd met calciumbicarbonaat naar het aardoppervlak komt en wordt verwarmd door de zonnestralen, vindt de omgekeerde reactie plaats:

Ca (HCO3) 2 \u003d CaCO3 + CO2 + H2O.

In de natuur is er dus een overdracht van grote massa's stoffen. Als gevolg hiervan kunnen zich onder de grond enorme gaten vormen en vormen zich prachtige stenen "ijspegels" - stalactieten en stalagmieten - in de grotten.

De aanwezigheid van opgelost calciumbicarbonaat in water bepaalt voor een groot deel de tijdelijke hardheid van water. Het wordt tijdelijk genoemd omdat wanneer water wordt gekookt, het bicarbonaat ontleedt en CaCO3 neerslaat. Dit fenomeen leidt er bijvoorbeeld toe dat er na verloop van tijd kalk in de ketel ontstaat.

calcium metaal chemisch fysisch

Het belangrijkste gebruik van calciummetaal is als reductiemiddel bij de productie van metalen, met name nikkel, koper en roestvrij staal. Calcium en zijn hydride worden ook gebruikt om moeilijk terug te winnen metalen zoals chroom, thorium en uranium te verkrijgen. Legeringen van calcium met lood worden gebruikt in batterijen en legeringen van lagers. Calciumkorrels worden ook gebruikt om luchtsporen uit elektrovacuümapparaten te verwijderen. Oplosbare calcium- en magnesiumzouten bepalen de algehele hardheid van water. Als ze in kleine hoeveelheden in water aanwezig zijn, wordt het water zacht genoemd. Met een hoog gehalte aan deze zouten wordt het water als hard beschouwd. Hardheid wordt geëlimineerd door te koken; water wordt soms gedestilleerd om het volledig te verwijderen.

Metaalthermie

Zuiver metallisch calcium wordt veel gebruikt in de metalthermie om zeldzame metalen te verkrijgen.

Legeren

Puur calcium wordt gebruikt om lood te legeren, dat wordt gebruikt voor de vervaardiging van accuplaten, onderhoudsvrije start-loodzuuraccu's met een lage zelfontlading. Ook wordt metallisch calcium gebruikt voor de productie van hoogwaardige calciumbabbits BKA.

Kernfusie

De 48Ca-isotoop is het meest efficiënte en meest gebruikte materiaal voor de productie van superzware elementen en de ontdekking van nieuwe elementen in het periodiek systeem. In het geval dat bijvoorbeeld 48Ca-ionen worden gebruikt om superzware elementen in versnellers te produceren, worden de kernen van deze elementen honderden en duizenden keren efficiënter gevormd dan bij het gebruik van andere "projectielen" (ionen).

Het gebruik van calciumverbindingen

calciumhydride. Door calcium in een waterstofatmosfeer te verhitten, wordt CaH2 (calciumhydride) verkregen, dat wordt gebruikt in de metallurgie (metallothermie) en bij de productie van waterstof in het veld.

Optische en lasermaterialen. Calciumfluoride (fluoriet) wordt gebruikt in de vorm van eenkristallen in optica (astronomische objectieven, lenzen, prisma's) en als lasermateriaal. Calciumwolframaat (scheeliet) in de vorm van eenkristallen wordt gebruikt in lasertechnologie en ook als scintillator.

calciumcarbide. Calciumcarbide CaC2 wordt veel gebruikt om acetyleen te verkrijgen en metalen te verminderen, evenals bij de productie van calciumcyanamide (door calciumcarbide in stikstof te verhitten tot 1200 ° C, de reactie is exotherm, uitgevoerd in cyanamide-ovens).

Chemische stroombronnen. Calcium, evenals zijn legeringen met aluminium en magnesium, worden gebruikt in reserve thermische elektrische batterijen als anode (bijvoorbeeld een calciumchromaatelement). Calciumchromaat wordt gebruikt in batterijen zoals de kathode. Een kenmerk van dergelijke batterijen is een extreem lange houdbaarheid (tientallen jaren) in bruikbare staat, het vermogen om onder alle omstandigheden te werken (ruimte, hoge drukken), hoge specifieke energie naar gewicht en volume. Het nadeel is de korte duur. Dergelijke batterijen worden gebruikt waar het nodig is om gedurende korte tijd een enorm elektrisch vermogen op te wekken ( ballistische raketten, sommige ruimtevaartuig en etc.).

Vuurvaste materialen. Calciumoxide, zowel in vrije vorm als als onderdeel van keramische mengsels, wordt gebruikt bij de productie van vuurvaste materialen.

Geneesmiddelen. In de geneeskunde elimineren Ca-medicijnen aandoeningen die verband houden met een gebrek aan Ca-ionen in het lichaam (met tetanie, spasmofilie, rachitis). Ca-preparaten verminderen de overgevoeligheid voor allergenen en worden gebruikt voor de behandeling van allergische aandoeningen (serumziekte, slaapkoorts, enz.). Ca-preparaten verminderen de verhoogde vasculaire permeabiliteit en hebben een ontstekingsremmend effect. Ze worden gebruikt voor hemorragische vasculitis, stralingsziekte, ontstekingsprocessen (pneumonie, pleuritis, enz.) en sommige huidziekten. Het wordt voorgeschreven als een hemostatisch middel, om de activiteit van de hartspier te verbeteren en het effect van digitalispreparaten te versterken, als tegengif voor vergiftiging met magnesiumzouten. Samen met andere medicijnen worden Ca-preparaten gebruikt om de bevalling te stimuleren. Ca-chloride wordt via de mond en intraveneus toegediend.

Ca-preparaten omvatten ook gips (CaSO4), gebruikt in chirurgie voor gipsafgietsels, en krijt (CaCO3), oraal toegediend voor hyperaciditeit maagsap en voor de bereiding van tandpoeder.

biologische rol

Calcium is een veel voorkomende macronutriënt in planten, dieren en mensen. Bij mensen en andere gewervelde dieren wordt het meeste aangetroffen in het skelet en de tanden in de vorm van fosfaten. Van verschillende vormen calciumcarbonaat (kalk) zijn de skeletten van de meeste groepen ongewervelde dieren (sponzen, koraalpoliepen, schaaldieren, enz.). Calciumionen zijn betrokken bij de processen van bloedstolling, evenals bij het handhaven van een constante osmotische druk van het bloed. Calciumionen dienen ook als een van de universele tweede boodschappers en reguleren een verscheidenheid aan intracellulaire processen - spiercontractie, exocytose, inclusief de afscheiding van hormonen en neurotransmitters, enz. De calciumconcentratie in het cytoplasma van menselijke cellen is ongeveer 10-7 mol, in intercellulaire vloeistoffen ongeveer 10− 3 mol.

Het meeste calcium dat het menselijk lichaam binnenkomt met voedsel, wordt aangetroffen in zuivelproducten, het resterende calcium wordt aangetroffen in vlees, vis en sommige plantaardige voedingsmiddelen (peulvruchten zijn bijzonder rijk). Absorptie vindt zowel plaats in de dikke als in de dunne darm en wordt mogelijk gemaakt door een zure omgeving, vitamine D en vitamine C, lactose en onverzadigde vetzuren. De rol van magnesium in het calciummetabolisme is ook belangrijk, met zijn tekort wordt calcium "uitgewassen" uit de botten en afgezet in de nieren (nierstenen) en spieren.

Assimilatie van calcium wordt voorkomen door aspirine, oxaalzuur, oestrogeenderivaten. In combinatie met oxaalzuur geeft calcium in water onoplosbare verbindingen die componenten zijn van nierstenen.

Vanwege het grote aantal processen dat verband houdt met calcium, wordt het calciumgehalte in het bloed nauwkeurig gereguleerd en met de juiste voeding treedt er geen tekort op. Langdurige afwezigheid van het dieet kan krampen, gewrichtspijn, slaperigheid, groeistoornissen en constipatie veroorzaken. Een dieper tekort leidt tot blijvende spierkrampen en osteoporose. Misbruik van koffie en alcohol kan de oorzaak zijn van calciumtekort, aangezien een deel ervan in de urine wordt uitgescheiden.

Overmatige doses calcium en vitamine D kunnen hypercalciëmie veroorzaken, gevolgd door intense verkalking van botten en weefsels (voornamelijk de urinewegen). Een langdurige overmaat verstoort de werking van spier- en zenuwweefsel, verhoogt de bloedstolling en vermindert de opname van zink door botcellen. De maximale dagelijkse veilige dosis voor een volwassene is 1500 tot 1800 milligram.

Producten Calcium, mg/100 g

Sesam 783

Brandnetel 713

Weegbree groot 412

Sardines in olie 330

Budra klimop 289

Hondenrozenbottel 257

Amandel 252

Weegbree lancetvormig. 248

Hazelnoot 226

Waterkers 214

Sojabonen droog 201

Kinderen jonger dan 3 jaar - 600 mg.

Kinderen van 4 tot 10 jaar oud - 800 mg.

Kinderen van 10 tot 13 jaar - 1000 mg.

Adolescenten van 13 tot 16 jaar oud - 1200 mg.

Jongeren van 16 jaar en ouder - 1000 mg.

Volwassenen van 25 tot 50 jaar - 800 tot 1200 mg.

Zwangere vrouwen en vrouwen die borstvoeding geven - 1500 tot 2000 mg.

Conclusie

Calcium is een van de meest voorkomende elementen op aarde. Er is veel van in de natuur: bergketens en kleirotsen worden gevormd uit calciumzouten, het komt voor in zee- en rivierwater en maakt deel uit van plantaardige en dierlijke organismen.

Calcium omringt de stedelingen constant: bijna alle belangrijke bouwmaterialen - beton, glas, baksteen, cement, kalk - bevatten dit element in aanzienlijke hoeveelheden.

Natuurlijk, met zo'n chemische eigenschappen, calcium komt in de natuur niet in vrije staat voor. Maar calciumverbindingen - zowel natuurlijke als kunstmatige - zijn van het allergrootste belang geworden.

Bibliografie

1.Redactieraad: Knunyants I.L. (hoofdredacteur) Chemical Encyclopedia: in 5 volumes - Moskou: Soviet Encyclopedia, 1990. - T. 2. - S. 293. - 671 p.

2.Doronine. N.A. Kaltsy, Goshimizdat, 1962. 191 pagina's met illustraties.

.Dotsenko V.A. - Therapeutische en preventieve voeding. - Q. voeding, 2001 - N1-p.21-25

4.Bilezikian J.P. Calcium- en botmetabolisme // In: K.L. Becker, ed.

5.M.Kh. Karapetyants, S.I. Draken - Algemeen en anorganische scheikunde, 2000. 592 pagina's met illustraties.

Calcium- een element van de hoofdsubgroep van de tweede groep, de vierde periode van het periodiek systeem van chemische elementen van D. I. Mendelejev, met atoomnummer 20. Het wordt aangeduid met het symbool Ca (lat. Calcium). De eenvoudige stof calcium (CAS-nummer: 7440-70-2) is een zacht, reactief, zilverwit aardalkalimetaal.

Geschiedenis en oorsprong van de naam

De naam van het element komt van lat. calx (in het genitief geval calcis) - "kalk", "zachte steen". Het werd voorgesteld door de Engelse chemicus Humphrey Davy, die in 1808 calciummetaal door de elektrolytische methode isoleerde. Davy elektrolyseerde een mengsel van natte gebluste kalk met kwikoxide HgO op een platinaplaat, die de anode was. Een platinadraad ondergedompeld in vloeibaar kwik diende als kathode. Als resultaat van elektrolyse werd calciumamalgaam verkregen. Nadat hij er kwik uit had verdreven, ontving Davy een metaal genaamd calcium. Calciumverbindingen - kalksteen, marmer, gips (evenals kalk - een product van brandende kalksteen) worden al duizenden jaren geleden in de bouw gebruikt. Tot het einde van de 18e eeuw beschouwden chemici kalk als een eenvoudig lichaam. In 1789 suggereerde A. Lavoisier dat kalk, magnesia, bariet, aluminiumoxide en silica complexe stoffen zijn.

In de natuur zijn

Vanwege de hoge chemische activiteit van calcium wordt het in de vrije vorm niet in de natuur gevonden.

Calcium is goed voor 3,38% van de massa van de aardkorst (5de meest voorkomende na zuurstof, silicium, aluminium en ijzer).

isotopen

Calcium komt in de natuur voor in de vorm van een mengsel van zes isotopen: 40Ca, 42Ca, 43Ca, 44Ca, 46Ca en 48Ca, waarvan de meest voorkomende - 40Ca - 96,97% is.

Van de zes natuurlijk voorkomende calciumisotopen zijn er vijf stabiel. Van de zesde 48Ca-isotoop, de zwaarste van de zes en zeer zeldzaam (de hoeveelheid isotopen is slechts 0,187%), werd onlangs ontdekt dat het dubbel bètaverval ondergaat met een halfwaardetijd van 5,3 x 10 19 jaar.

In gesteenten en mineralen

Het meeste calcium zit in de samenstelling van silicaten en aluminosilicaten van verschillende gesteenten (granieten, gneis, enz.), vooral in veldspaat - anorthiet Ca.

In de vorm van sedimentair gesteente worden calciumverbindingen weergegeven door krijt en kalksteen, voornamelijk bestaande uit het mineraal calciet (CaCO 3). De kristallijne vorm van calciet, marmer, komt in de natuur veel minder voor.

Calciummineralen zoals calciet CaCO 3 , anhydriet CaSO 4 , albast CaSO 4 0,5 H 2 O en gips CaSO 4 2 H 2 O, fluoriet CaF 2 , apatiet Ca 5 (PO 4) 3 (F, Cl, OH), dolomiet MgCO 3 CaCO3. De aanwezigheid van calcium- en magnesiumzouten in natuurlijk water bepaalt de hardheid ervan.

Calcium, dat krachtig migreert in de aardkorst en zich ophoopt in verschillende geochemische systemen, vormt 385 mineralen (vierde qua aantal mineralen).

Migratie in de aardkorst

Bij de natuurlijke migratie van calcium wordt een belangrijke rol gespeeld door het "carbonaatevenwicht", geassocieerd met de omkeerbare reactie van de interactie van calciumcarbonaat met water en koolstofdioxide met de vorming van oplosbaar bicarbonaat:

CaCO 3 + H 2 O + CO 2 ↔ Ca (HCO 3) 2 ↔ Ca 2+ + 2HCO 3 -

(het evenwicht verschuift naar links of rechts afhankelijk van de concentratie kooldioxide).

Biogene migratie speelt een belangrijke rol.

In de biosfeer

Calciumverbindingen komen voor in bijna alle dierlijke en plantaardige weefsels (zie ook hieronder). Een aanzienlijke hoeveelheid calcium maakt deel uit van levende organismen. Dus hydroxyapatiet Ca 5 (PO 4) 3 OH, of, in een ander item, 3Ca 3 (PO 4) 2 Ca (OH) 2 - de basis van het botweefsel van gewervelde dieren, inclusief mensen; schalen en schalen van veel ongewervelde dieren, eierschalen, enz. zijn gemaakt van calciumcarbonaat CaCO 3. In levende weefsels van mens en dier, 1,4-2% Ca (in massafractie); in een menselijk lichaam dat 70 kg weegt, is het calciumgehalte ongeveer 1,7 kg (voornamelijk in de samenstelling van de intercellulaire substantie van botweefsel).

Bon

Vrij metallisch calcium wordt verkregen door elektrolyse van een smelt bestaande uit CaCl 2 (75-80%) en KCl of uit CaCl 2 en CaF 2, evenals aluminothermische reductie van CaO bij 1170-1200 ° C:

4CaO + 2Al = CaAl 2 O 4 + 3Ca.

Eigenschappen

Fysieke eigenschappen

Het calciummetaal bestaat in twee allotrope modificaties. Tot 443 °C is α-Ca met een kubisch vlak-gecentreerd rooster stabiel (parameter a = 0,558 nm), daarboven is β-Ca stabiel met een kubisch lichaam-gecentreerd rooster van het α-Fe-type (parameter a = 0,448 nm). Standaard enthalpie Δ H 0 van de α → β overgang is 0,93 kJ/mol.

Chemische eigenschappen

In de reeks standaardpotentialen bevindt calcium zich links van waterstof. De standaard elektrodepotentiaal van het Ca 2+ / Ca 0 paar is -2,84 V, zodat calcium actief reageert met water, maar zonder ontsteking:

Ca + 2H 2 O \u003d Ca (OH) 2 + H 2 + Q.

De aanwezigheid van opgelost calciumbicarbonaat in water bepaalt voor een groot deel de tijdelijke hardheid van water. Het wordt tijdelijk genoemd omdat bij het koken van water het bicarbonaat ontleedt en CaCO 3 neerslaat. Dit fenomeen leidt er bijvoorbeeld toe dat er na verloop van tijd kalk in de ketel ontstaat.

Sollicitatie

Toepassingen van metallisch calcium

Metaalthermie

Zuiver metallisch calcium wordt veel gebruikt in de metalthermie om zeldzame metalen te verkrijgen.

Legeren

Kernfusie

De 48 Ca-isotoop is het meest effectieve en meest gebruikte materiaal voor de productie van superzware elementen en de ontdekking van nieuwe elementen in het periodiek systeem. In het geval van het gebruik van 48 Ca-ionen om superzware elementen in versnellers te produceren, worden de kernen van deze elementen honderden en duizenden keren efficiënter gevormd dan bij het gebruik van andere "projectielen" (ionen).) Het wordt gebruikt in de vorm en voor de reductie van metalen, evenals bij de productie van cyanamidecalcium (door calciumcarbide in stikstof op 1200 ° C te verwarmen, is de reactie exotherm, uitgevoerd in cyanamide-ovens).

Calcium, evenals zijn legeringen met aluminium en magnesium, worden gebruikt in reserve thermische elektrische batterijen als anode (bijvoorbeeld een calciumchromaatelement). Calciumchromaat wordt gebruikt in batterijen zoals de kathode. Een kenmerk van dergelijke batterijen is een extreem lange houdbaarheid (tientallen jaren) in bruikbare staat, het vermogen om onder alle omstandigheden (ruimte, hoge drukken) te werken en een hoge specifieke energie naar gewicht en volume. Het nadeel is de korte duur. Dergelijke batterijen worden gebruikt waar het nodig is om gedurende korte tijd kolossale elektrische energie op te wekken (ballistische raketten, sommige ruimtevaartuigen, enz.).

Daarnaast worden calciumverbindingen geïntroduceerd in preparaten ter preventie van osteoporose, in vitaminecomplexen voor zwangere vrouwen en ouderen.-

De biologische rol van calcium

Calcium is een veel voorkomende macronutriënt in planten, dieren en mensen. Bij mensen en andere gewervelde dieren wordt het meeste aangetroffen in het skelet en de tanden in de vorm van fosfaten. De skeletten van de meeste groepen ongewervelde dieren (sponzen, koraalpoliepen, weekdieren, enz.) zijn samengesteld uit verschillende vormen van calciumcarbonaat (kalk). Calciumionen zijn betrokken bij de processen van bloedstolling, evenals bij het handhaven van een constante osmotische druk van het bloed. Calciumionen dienen ook als een van de universele tweede boodschappers en reguleren een verscheidenheid aan intracellulaire processen - spiercontractie, exocytose, inclusief de afscheiding van hormonen en neurotransmitters, enz. De calciumconcentratie in het cytoplasma van menselijke cellen is ongeveer 10-7 mol, in intercellulaire vloeistoffen ongeveer 10− 3 mol.

De behoefte aan calcium is afhankelijk van de leeftijd. Voor volwassenen is de benodigde dagelijkse hoeveelheid 800 tot 1000 milligram (mg) en voor kinderen van 600 tot 900 mg, wat erg belangrijk is voor kinderen vanwege de intensieve groei van het skelet. Het meeste calcium dat het menselijk lichaam binnenkomt met voedsel, wordt aangetroffen in zuivelproducten, het resterende calcium wordt aangetroffen in vlees, vis en sommige plantaardige voedingsmiddelen (peulvruchten zijn bijzonder rijk). Absorptie vindt zowel plaats in de dikke als in de dunne darm en wordt mogelijk gemaakt door een zure omgeving, vitamine D en vitamine C, lactose en onverzadigde vetzuren. De rol van magnesium in het calciummetabolisme is ook belangrijk, met zijn tekort wordt calcium "uitgewassen" uit de botten en afgezet in de nieren (nierstenen) en spieren.

Assimilatie van calcium wordt voorkomen door aspirine, oxaalzuur, oestrogeenderivaten. In combinatie met oxaalzuur geeft calcium in water onoplosbare verbindingen die componenten zijn van nierstenen.

Zwangere vrouwen en vrouwen die borstvoeding geven - 1500 tot 2000 mg.

Calcium (Latijns Calcium, aangeduid met het symbool Ca) is een element met atoomnummer 20 en atoommassa 40.078. Het is een element van de hoofdsubgroep van de tweede groep, de vierde periode van het periodiek systeem van chemische elementen van Dmitry Ivanovich Mendeleev. Onder normale omstandigheden is een eenvoudige stof calcium een licht (1,54 g/cm3) kneedbaar, zacht, reactief aardalkalimetaal met een zilverwitte kleur.

In de natuur wordt calcium gepresenteerd als een mengsel van zes isotopen: 40Ca (96,97%), 42Ca (0,64%), 43Ca (0,145%), 44Ca (2,06%), 46Ca (0,0033%) en 48Ca (0,185%). De belangrijkste isotoop van het twintigste element - de meest voorkomende - is 40Ca, de isotopen-abundantie is ongeveer 97%. Van de zes natuurlijke calciumisotopen zijn er vijf stabiel, de zesde isotoop 48Ca, de zwaarste van de zes en vrij zeldzaam (de hoeveelheid isotopen is slechts 0,185%), is recentelijk dubbel β-verval ondergaan met een halfwaardetijd van 5.3-1019 jaar. Kunstmatig geproduceerde isotopen met massagetallen 39, 41, 45, 47 en 49 zijn radioactief. Meestal worden ze gebruikt als een isotooptracer bij de studie van minerale metabolismeprocessen in een levend organisme. 45Ca, verkregen door bestraling van metallisch calcium of zijn verbindingen met neutronen in een uraniumreactor, speelt een belangrijke rol bij het bestuderen van de metabolische processen die plaatsvinden in de bodem en bij het bestuderen van de processen van calciumassimilatie door planten. Dankzij dezelfde isotoop konden bronnen van vervuiling worden opgespoord verschillende soorten staal en ultrazuiver ijzer door calciumverbindingen in het smeltproces.

Calciumverbindingen - marmer, gips, kalksteen en kalk (een product van brandende kalksteen) zijn al sinds de oudheid bekend en werden veel gebruikt in de bouw en in de geneeskunde. De oude Egyptenaren gebruikten calciumverbindingen bij de constructie van hun piramides, en de inwoners van het grote Rome vonden beton uit - met een mengsel van steenslag, kalk en zand. Tot het einde van de 18e eeuw waren chemici ervan overtuigd dat kalk een eenvoudig lichaam was. Pas in 1789 suggereerde Lavoisier dat kalk, aluminiumoxide en enkele andere verbindingen complexe stoffen zijn. In 1808 werd metallisch calcium verkregen door G. Davy door middel van elektrolyse.

Het gebruik van metallisch calcium wordt geassocieerd met zijn hoge chemische activiteit. Het wordt gebruikt om verbindingen van bepaalde metalen terug te winnen, bijvoorbeeld thorium, uranium, chroom, zirkonium, cesium, rubidium; voor verwijdering uit staal en uit sommige andere legeringen van zuurstof, zwavel; voor dehydratatie van organische vloeistoffen; voor absorptie van de resten van gassen in vacuümapparaten. Bovendien dient metallisch calcium als een legeringscomponent van sommige legeringen. Calciumverbindingen worden veel vaker gebruikt - ze worden gebruikt in de bouw, pyrotechniek, glasproductie, medicijnen en vele andere gebieden.

Calcium is een van de belangrijkste biogene elementen; het is voor de meeste levende organismen noodzakelijk voor het normale verloop van levensprocessen. Het lichaam van een volwassene bevat tot anderhalve kilo calcium. Het is aanwezig in alle weefsels en vloeistoffen van levende organismen. Het twintigste element is nodig voor de vorming van botweefsel, het in stand houden van een hartritme, de bloedstolling, het in stand houden van de normale doorlaatbaarheid van de buitenste celmembranen en de vorming van een aantal enzymen. De lijst met functies die calcium vervult in plantaardige en dierlijke organismen is erg lang. Het volstaat te zeggen dat alleen zeldzame organismen zich kunnen ontwikkelen in een omgeving zonder calcium, terwijl andere organismen voor 38% uit dit element bestaan ( menselijk lichaam bevat slechts ongeveer 2% calcium).

biologische eigenschappen

Calcium is een van de biogene elementen, zijn verbindingen worden aangetroffen in bijna alle levende organismen (weinig organismen kunnen zich ontwikkelen in een omgeving zonder calcium), wat zorgt voor een normaal verloop van levensprocessen. Het twintigste element is aanwezig in alle weefsels en vloeistoffen van dieren en planten, het meeste (in gewervelde organismen - inclusief mensen) wordt gevonden in het skelet en de tanden in de vorm van fosfaten (bijvoorbeeld hydroxyapatiet Ca5 (PO4) 3OH of 3Ca3 (PO4) 2Ca (OH)2). Het gebruik van het twintigste element als bouwstof voor botten en tanden komt doordat calciumionen niet in de cel worden gebruikt. De calciumconcentratie wordt gecontroleerd door speciale hormonen, hun gecombineerde werking behoudt en onderhoudt de structuur van de botten. De skeletten van de meeste groepen ongewervelde dieren (weekdieren, koralen, sponzen en andere) zijn opgebouwd uit verschillende vormen van calciumcarbonaat CaCO3 (kalk). Veel ongewervelde dieren slaan calcium op voordat ze vervellen om een nieuw skelet op te bouwen of om in ongunstige omstandigheden te voorzien in vitale functies. Dieren krijgen calcium uit voedsel en water, en planten uit de bodem en in relatie tot dit element worden onderverdeeld in calcefielen en calcefoben.

De ionen van dit belangrijke sporenelement zijn betrokken bij de processen van bloedstolling en zorgen ook voor een constante osmotische druk van het bloed. Daarnaast is calcium nodig voor de vorming van een aantal celstructuren, behoud van normale doorlaatbaarheid van buitenste celmembranen, voor bevruchting van eieren van vissen en andere dieren, activering van een aantal enzymen (misschien is deze omstandigheid te wijten aan het feit dat calcium magnesiumionen vervangt). Calciumionen brengen excitatie over naar de spiervezel, waardoor deze samentrekt, de kracht van hartcontracties verhoogt, de fagocytische functie van leukocyten verhoogt, het systeem van beschermende bloedeiwitten activeert, exocytose reguleren, inclusief de afscheiding van hormonen en neurotransmitters. Calcium beïnvloedt de doorgankelijkheid van bloedvaten - zonder dit element zouden vetten, lipiden en cholesterol zich op de wanden van bloedvaten afzetten. Calcium bevordert de uitscheiding van zouten van zware metalen en radionucliden uit het lichaam, vervult antioxiderende functies. Calcium beïnvloedt het voortplantingssysteem, heeft een anti-stress effect en heeft een anti-allergische werking.

Het calciumgehalte in het lichaam van een volwassene (met een gewicht van 70 kg) is 1,7 kg (voornamelijk in de samenstelling van de intercellulaire substantie van botweefsel). De behoefte aan dit element is afhankelijk van de leeftijd: voor volwassenen is de benodigde dagelijkse hoeveelheid 800 tot 1.000 milligram, voor kinderen van 600 tot 900 milligram. Voor kinderen is het vooral belangrijk om de vereiste dosis te consumeren voor intensieve groei en ontwikkeling van botten. De belangrijkste bron van calcium in het lichaam is melk en zuivelproducten, de rest van calcium komt van vlees, vis en sommige plantaardige producten (vooral peulvruchten). De opname van calciumkationen vindt plaats in de dikke en dunne darm, de opname wordt vergemakkelijkt door een zure omgeving, vitamine C en D, lactose (melkzuur) en onverzadigde vetzuren. Op hun beurt verminderen aspirine, oxaalzuur en oestrogeenderivaten de absorptie van het twintigste element aanzienlijk. Dus, in combinatie met oxaalzuur, geeft calcium in water onoplosbare verbindingen die componenten zijn van nierstenen. De rol van magnesium in het calciummetabolisme is groot - met zijn tekort wordt calcium "uitgewassen" uit de botten en afgezet in de nieren (nierstenen) en spieren. Over het algemeen is er een complex systeem van opslag en afgifte van het twintigste element in het lichaam, om deze reden is het calciumgehalte in het bloed nauwkeurig gereguleerd en met de juiste voeding is er geen tekort of overmaat. Een langdurig calciumdieet kan krampen, gewrichtspijn, constipatie, vermoeidheid, slaperigheid, groeiachterstand veroorzaken. Langdurig gebrek aan calcium in de voeding leidt tot de ontwikkeling van osteoporose. Nicotine, cafeïne en alcohol zijn enkele van de redenen voor het gebrek aan calcium in het lichaam, omdat ze bijdragen aan de intensieve uitscheiding in de urine. Een overmaat van het twintigste element (of vitamine D) leidt echter tot negatieve gevolgen - er ontwikkelt zich hypercalciëmie, met als gevolg intense verkalking van botten en weefsels (voornamelijk van invloed op het urinewegstelsel). Een langdurig calciumoverschot verstoort de werking van spier- en zenuwweefsel, verhoogt de bloedstolling en vermindert de opname van zink door botcellen. Artrose, staar, problemen met bloeddruk. Uit het voorgaande kunnen we concluderen dat de cellen van plantaardige en dierlijke organismen strikt gedefinieerde verhoudingen van calciumionen nodig hebben.

In de farmacologie en geneeskunde worden calciumverbindingen gebruikt voor de vervaardiging van vitamines, tabletten, pillen, injecties, antibiotica, evenals voor de vervaardiging van ampullen en medische gebruiksvoorwerpen.

Het blijkt dat een vrij veel voorkomende oorzaak van mannelijke onvruchtbaarheid een gebrek aan calcium in het lichaam is! Het feit is dat de kop van de zaadcel een pijlvormige formatie heeft, die volledig uit calcium bestaat, met een voldoende hoeveelheid van dit element, kan de zaadcel het membraan overwinnen en het ei bevruchten, terwijl er onvoldoende onvruchtbaarheid optreedt.

Amerikaanse wetenschappers hebben ontdekt dat het gebrek aan calciumionen in het bloed leidt tot een verzwakking van het geheugen en een afname van intelligentie. Uit het bekende Amerikaanse tijdschrift Science News werd bijvoorbeeld bekend over experimenten die bevestigden dat katten produceren geconditioneerde reflex alleen als hun hersencellen meer calcium dan bloed bevatten.

zeer gewaardeerd in landbouw de verbinding calciumcyanamide wordt niet alleen gebruikt als stikstofmeststof en bron van ureum - de meest waardevolle meststof en grondstof voor de productie van synthetische harsen, maar ook als een stof waarmee het mogelijk was om de oogst van katoenvelden te mechaniseren. Feit is dat na verwerking met deze verbinding het katoen onmiddellijk blad verliest, waardoor mensen het plukken van katoen aan machines kunnen overlaten.

Bij calciumrijke voedingsmiddelen worden altijd zuivelproducten genoemd, maar melk zelf bevat 120 mg (koe) tot 170 mg (schapen) calcium per 100 g; kwark is nog armer - slechts 80 mg per 100 gram. Van zuivelproducten bevat alleen kaas van 730 mg (gouda) tot 970 mg (emmental) calcium per 100 g product. De recordhouder voor de inhoud van het twintigste element is echter papaver - 100 gram maanzaad bevat bijna 1.500 mg calcium!

Calciumchloride CaCl2, dat bijvoorbeeld wordt gebruikt in koelinstallaties, is een afvalproduct van veel chemisch-technologische processen, met name de grootschalige productie van soda. Ondanks het wijdverbreide gebruik van calciumchloride in verschillende gebieden, is het verbruik beduidend lager dan de productie. Om deze reden worden bijvoorbeeld in de buurt van de fabrieken die soda produceren, hele meren gevormd uit calciumchloride-pekel. Dergelijke opslagvijvers zijn niet ongewoon.

Om te begrijpen hoeveel calciumverbindingen worden verbruikt, is het de moeite waard om slechts een paar voorbeelden te geven. Bij de productie van staal wordt kalk gebruikt om fosfor, silicium, mangaan en zwavel te verwijderen; bij het zuurstofconverterproces wordt 75 kilogram kalk per ton staal verbruikt! Nog een voorbeeld uit een heel ander gebied - Voedselindustrie. Bij de productie van suiker, om calciumsaccharaat neer te slaan, wordt ruwe suikersiroop omgezet met kalk. Rietsuiker heeft dus meestal ongeveer 3-5 kg limoen per ton nodig, en bietsuiker - honderd keer meer, dat wil zeggen ongeveer een halve ton limoen per ton suiker!

"Hardheid" van water is een aantal eigenschappen die aan water worden gegeven door calcium- en magnesiumzouten die erin zijn opgelost. Stijfheid is onderverdeeld in tijdelijk en permanent. Tijdelijke of carbonaathardheid wordt veroorzaakt door de aanwezigheid van oplosbare bicarbonaten Ca (HCO3) 2 en Mg (HCO3) 2 in water. Het is heel gemakkelijk om van de carbonaathardheid af te komen - bij het koken van water veranderen bicarbonaten in in water onoplosbare calcium- en magnesiumcarbonaten, waarbij ze neerslaan. Permanente hardheid wordt gecreëerd door sulfaten en chloriden van dezelfde metalen, maar het is veel moeilijker om er vanaf te komen. Hard water is verschrikkelijk, niet zozeer omdat het de vorming van zeepschuim voorkomt en daardoor kleding slechter wast, het is veel erger dat het een kalklaag vormt in stoomketels en ketelinstallaties, waardoor hun efficiëntie vermindert en tot noodsituaties leidt. Wat interessant is - ze wisten hoe ze de hardheid van water moesten bepalen Het Oude Rome. Rode wijn werd gebruikt als reagens - de kleurstoffen vormen een neerslag met calcium- en magnesiumionen.

Het proces van het bereiden van calcium voor opslag is erg interessant. Metallisch calcium wordt lange tijd opgeslagen in de vorm van stukken met een gewicht van 0,5 tot 60 kg. Deze "varkens" worden verpakt in papieren zakken en vervolgens in gegalvaniseerde ijzeren containers met gesoldeerde en geverfde naden geplaatst. Goed gesloten containers worden in houten kisten geplaatst. Stukken met een gewicht van minder dan een halve kilogram kunnen niet lang worden bewaard - wanneer ze worden geoxideerd, veranderen ze snel in oxide, hydroxide en calciumcarbonaat.

Verhaal

Metallisch calcium werd relatief recent verkregen - in 1808 was de mensheid echter al heel lang bekend met de verbindingen van dit metaal. Sinds de oudheid gebruiken mensen kalksteen, krijt, marmer, albast, gips en andere calciumhoudende verbindingen in de bouw en in de geneeskunde. Kalksteen CaCO3 was hoogstwaarschijnlijk het eerste bouwmateriaal dat door de mens werd gebruikt. Het werd gebruikt bij de bouw van de Egyptische piramiden en de Chinese muur. Veel tempels en kerken in Rusland, evenals de meeste gebouwen van het oude Moskou, werden gebouwd met kalksteen - witte steen. Zelfs in de oudheid ontving een persoon, die kalksteen verbrandde, ongebluste kalk (CaO), zoals blijkt uit de werken van Plinius de Oudere (I eeuw na Christus) en Dioscorides, een arts in het Romeinse leger, die in het essay "On geneesmiddelen"Introduceerde de naam "quicklime" voor calciumoxide, dat tot op de dag van vandaag bewaard is gebleven. En dit alles ondanks het feit dat puur calciumoxide voor het eerst werd beschreven door de Duitse chemicus I. Toen, pas in 1746 en in 1755, onthulde de chemicus J. Black, die het bakproces bestudeerde, dat het massale verlies van kalksteen tijdens het bakken optreedt door het vrijkomen van kooldioxidegas:

CaCO3 ↔ CO2 + CaO

De Egyptische mortels die in de piramides van Gizeh werden gebruikt, waren gebaseerd op gedeeltelijk gedehydrateerd gips CaSO4 2H2O, oftewel albast 2CaSO4∙H2O. Het is ook de basis van alle gips in het graf van Toetanchamon. Verbrand gips (albast) werd door de Egyptenaren gebruikt als bindmiddel bij de bouw van irrigatiefaciliteiten. Door natuurlijk gips bij hoge temperaturen te stoken, bereikten Egyptische bouwers zijn gedeeltelijke uitdroging en werd niet alleen water, maar ook zwavelzuuranhydride van het molecuul afgesplitst. Later, toen verdund met water, werd een zeer sterke massa verkregen, die niet bang was voor water en temperatuurschommelingen.

De Romeinen kunnen met recht de uitvinders van beton worden genoemd, omdat ze in hun gebouwen een van de variëteiten van dit bouwmateriaal gebruikten - een mengsel van steenslag, zand en kalk. Er is een beschrijving door Plinius de Oudere van de constructie van stortbakken uit dergelijk beton: "Voor de bouw van stortbakken, vijf delen zuiver grindzand, twee delen van de beste gebluste kalk en fragmenten van silex (harde lava) met een gewicht van niet meer dan een pond elk wordt genomen, na het mengen worden de onder- en zijvlakken verdicht met slagen van een ijzeren stamper ". In het vochtige klimaat van Italië was beton het meest stabiele materiaal.

Het blijkt dat calciumverbindingen, die ze veel gebruikten, al lang bekend zijn bij de mensheid. Tot het einde van de 18e eeuw beschouwden chemici kalk echter als een eenvoudig lichaam, pas aan de vooravond van de nieuwe eeuw begon de studie van de aard van kalk en andere calciumverbindingen. Dus Stahl stelde voor dat limoen complex lichaam, bestaande uit aardse en waterige principes, en Black maakte onderscheid tussen bijtende kalk en koolzuurkalk, die "vaste lucht" bevatte. Antoine Laurent Lavoisier schreef kalkhoudende aarde (CaO) toe aan het aantal elementen, dat wil zeggen aan eenvoudige stoffen, hoewel hij in 1789 suggereerde dat kalk, magnesia, bariet, aluminiumoxide en silica complexe stoffen zijn, maar het zal mogelijk zijn om dit alleen te bewijzen door "hardnekkige aarde" (calciumoxide) te ontbinden. En de eerste die slaagde was Humphrey Davy. Na de succesvolle ontleding van kalium- en natriumoxiden door elektrolyse, besloot de chemicus op dezelfde manier aardalkalimetalen te verkrijgen. De eerste pogingen waren echter niet succesvol - de Engelsman probeerde kalk te ontbinden door elektrolyse in lucht en onder een laag olie, calcineerde vervolgens de kalk met kaliummetaal in een buis en deed vele andere experimenten, maar het mocht niet baten. Ten slotte verkreeg hij in een apparaat met een kwikkathode een amalgaam door elektrolyse van kalk en daaruit metallisch calcium. Al snel werd deze methode om metaal te verkrijgen verbeterd door I. Berzelius en M. Pontin.

Het nieuwe element dankt zijn naam aan het Latijnse woord "calx" (in het genitief geval calcis) - kalk, zachte steen. Calx (calx) heette krijt, kalksteen, in het algemeen een kiezelsteen, maar meestal een mortel op basis van kalk. Dit concept werd ook gebruikt door oude auteurs (Vitruvius, Plinius de Oudere, Dioscorides), die het verbranden van kalksteen, het blussen van kalk en het bereiden van mortels beschreven. Later, in de kring van alchemisten, duidde "calx" op het product van braden in het algemeen - in het bijzonder metalen. Zo werden metaaloxiden bijvoorbeeld metaalkalk genoemd en het bakproces zelf werd calcineren (calcinatio) genoemd. In oude Russische receptliteratuur wordt het woord uitwerpselen (modder, klei) gevonden, dus in de verzameling van de Trinity-Sergius Lavra (XV eeuw) staat: "neem uitwerpselen, daaruit maken ze goud voor de oven." Pas later werd het woord cal, dat ongetwijfeld verwant is aan het woord "calx", synoniem met het woord mest. In de Russische literatuur van het begin van de 19e eeuw werd calcium soms de basis van kalkhoudende aarde genoemd, kalkhoudend (Shcheglov, 1830), kalkhoudend (Iovsky), calcium, calcium (Hess).

In de natuur zijn

Calcium is een van de meest voorkomende elementen op onze planeet - de vijfde in termen van kwantitatieve inhoud in de natuur (van niet-metalen, alleen zuurstof komt vaker voor - 49,5% en silicium - 25,3%) en de derde van metalen (alleen aluminium is vaker voor - 7,5% en ijzer - 5,08%). Clarke (gemiddeld gehalte in de aardkorst) van calcium, volgens verschillende schattingen, varieert van 2,96 gew.% tot 3,38%, we kunnen zeker zeggen dat dit cijfer ongeveer 3% is. In de buitenste schil van het calciumatoom bevinden zich twee valentie-elektronen, waarvan de binding met de kern nogal fragiel is. Om deze reden heeft calcium een hoge chemische activiteit en komt het in de natuur niet in vrije vorm voor. Het migreert echter actief en hoopt zich op in verschillende geochemische systemen, waarbij ongeveer 400 mineralen worden gevormd: silicaten, aluminosilicaten, carbonaten, fosfaten, sulfaten, borosilicaten, molybdaten, chloriden en andere, op de vierde plaats in deze indicator. Tijdens het smelten van basaltische magma's hoopt calcium zich op in de smelt en komt in de samenstelling van de belangrijkste gesteentevormende mineralen, tijdens de fractionering waarvan het gehalte afneemt tijdens de differentiatie van magma van basische naar zure gesteenten. Calcium bevindt zich voor het grootste deel in het onderste deel van de aardkorst en hoopt zich op in de belangrijkste rotsen (6,72%); er is weinig calcium in de aardmantel (0,7%) en waarschijnlijk nog minder in de aardkern (in ijzermeteorieten van het twintigste element vergelijkbaar met de kern, slechts 0,02%).

Toegegeven, de calciumclarke in steenachtige meteorieten is 1,4% (zeldzaam calciumsulfide wordt gevonden), in middelgrote rotsen - 4,65%, zure rotsen bevatten 1,58% calcium per gewicht. Het grootste deel van calcium zit in de samenstelling van silicaten en aluminosilicaten van verschillende gesteenten (granieten, gneisses, enz.), Vooral in veldspaat - anorthiet Ca, evenals diopside CaMg, wollastoniet Ca3. In de vorm van sedimentair gesteente worden calciumverbindingen weergegeven door krijt en kalksteen, voornamelijk bestaande uit het mineraal calciet (CaCO3).

Calciumcarbonaat CaCO3 is een van de meest voorkomende verbindingen op aarde - mineralen op basis van calciumcarbonaat beslaan ongeveer 40 miljoen vierkante kilometer aardoppervlak. In veel delen van het aardoppervlak zijn er aanzienlijke sedimentaire afzettingen van calciumcarbonaat, die werden gevormd uit de overblijfselen van oude mariene organismen - krijt, marmer, kalksteen, schelprotsen - dit alles is CaCO3 met kleine onzuiverheden, en calciet is puur CaCO3. De belangrijkste van deze mineralen is kalksteen, meer bepaald kalksteen - elke afzetting verschilt immers in dichtheid, samenstelling en hoeveelheid onzuiverheden. Bijvoorbeeld schelpensteen - kalksteen biologische oorsprong, en met minder onzuiverheden, vormt calciumcarbonaat transparante kristallen van kalkhoudend of IJslands spar. Krijt is een andere veel voorkomende variëteit van calciumcarbonaat, maar marmer, de kristallijne vorm van calciet, komt veel minder vaak voor in de natuur. Het is algemeen aanvaard dat marmer werd gevormd uit kalksteen in oude geologische tijdperken. Tijdens de beweging van de aardkorst werden individuele afzettingen van kalksteen begraven onder lagen van andere rotsen. Onder invloed hoge druk en temperatuur, vond het proces van herkristallisatie plaats en de kalksteen veranderde in een dichter kristallijn gesteente - marmer. Bizarre stalactieten en stalagmieten - het mineraal aragoniet, een andere variëteit van calciumcarbonaat. Orthorhombische aragoniet wordt gevormd in warme zeeën- Enorme lagen calciumcarbonaat in de vorm van aragoniet vormden de Bahama's, de Florida Keys en het bekken van de Rode Zee. Ook vrij algemeen zijn calciummineralen zoals fluoriet CaF2, dolomiet MgCO3 CaCO3, anhydriet CaSO4, fosforiet Ca5 (PO4) 3 (OH, CO3) (met verschillende onzuiverheden) en apatiet Ca5 (PO4) 3 (F, Cl, OH) - vormen van calciumfosfaat, albast CaSO4 0,5H2O en gips CaSO4 2H2O (vormen van calciumsulfaat) en andere. In calciumbevattende mineralen zijn er isomorf vervangende elementen-onzuiverheden (bijvoorbeeld natrium, strontium, zeldzame aarde, radioactieve en andere elementen).

Een groot deel van het twintigste element is in natuurlijke wateren vanwege het bestaan van een globaal "carbonaatevenwicht" tussen slecht oplosbaar CaCO3, goed oplosbaar Ca (HCO3) 2 en CO2 in water en lucht:

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

Deze reactie is omkeerbaar en vormt de basis voor de herverdeling van het twintigste element - met een hoog gehalte aan koolstofdioxide in het water is calcium in oplossing en met een laag CO2-gehalte slaat het mineraal calciet CaCO3 neer, waarbij krachtige afzettingen van kalksteen, krijt, marmer.

Een aanzienlijke hoeveelheid calcium is opgenomen in de samenstelling van levende organismen, bijvoorbeeld hydroxyapatiet Ca5 (PO4) 3OH, of, in een ander item, 3Ca3 (PO4) 2 Ca (OH) 2 - de basis van het botweefsel van gewervelde dieren, inclusief mensen. Calciumcarbonaat CaCO3 is het hoofdbestanddeel van de schelpen en schelpen van veel ongewervelde dieren, eierschalen, koralen en zelfs parels.

Sollicitatie

Metallisch calcium wordt vrij zelden gebruikt. In principe wordt dit metaal (evenals zijn hydride) gebruikt bij de metallothermische productie van moeilijk terug te winnen metalen - uranium, titanium, thorium, zirkonium, cesium, rubidium en een aantal zeldzame aardmetalen uit hun verbindingen (oxiden of halogeniden ). Calcium wordt gebruikt als reductiemiddel bij de productie van nikkel, koper en roestvrij staal. Ook wordt het twintigste element gebruikt voor de desoxidatie van staal, brons en andere legeringen, voor de verwijdering van zwavel uit aardolieproducten, voor de dehydratatie van organische oplosmiddelen, voor de zuivering van argon uit stikstofverontreinigingen en als gasabsorbeerder in elektrisch vacuüm apparaten. Metallisch calcium wordt gebruikt bij de productie van antifrictielegeringen van het Pb-Na-Ca-systeem (gebruikt in lagers), evenals de Pb-Ca-legering die wordt gebruikt om de mantel van elektrische kabels te maken. Silicocalciumlegering (Ca-Si-Ca) wordt gebruikt als deoxidator en ontgasser bij de productie van hoogwaardig staal. Calcium wordt zowel als legeringselement voor aluminiumlegeringen als als modificerend additief voor magnesiumlegeringen gebruikt. Zo verhoogt de introductie van calcium de sterkte van aluminium lagers. Puur calcium wordt ook gebruikt voor dopinglood, dat wordt gebruikt voor de vervaardiging van batterijplaten, onderhoudsvrije start-loodzuurbatterijen met lage zelfontlading. Ook wordt metallisch calcium gebruikt voor de productie van hoogwaardige calciumbabbits BKA. Met behulp van calcium wordt het koolstofgehalte in gietijzer gereguleerd en wordt bismut uit lood verwijderd, zuurstof, zwavel en fosfor uit staal gezuiverd. Calcium, evenals zijn legeringen met aluminium en magnesium, worden gebruikt in reserve thermische elektrische batterijen als anode (bijvoorbeeld calciumchromaatelement).

Verbindingen van het twintigste element worden echter veel breder gebruikt. En allereerst hebben we het over natuurlijke calciumverbindingen. Een van de meest voorkomende calciumverbindingen op aarde is CaCO3-carbonaat. Zuiver calciumcarbonaat is het mineraal calciet, en kalksteen, krijt, marmer, schelpgesteente - CaCO3 met kleine onzuiverheden. Een mengsel van calcium- en magnesiumcarbonaat wordt dolomiet genoemd. Kalksteen en dolomiet worden voornamelijk gebruikt als bouwmateriaal, wegdek of bodemontzuurder. Calciumcarbonaat CaCO3 is nodig om calciumoxide (ongebluste kalk) CaO en calciumhydroxide (gebluste kalk) Ca(OH)2 te verkrijgen. CaO en Ca(OH)2 zijn op hun beurt de belangrijkste stoffen in veel gebieden van de chemische, metallurgische en technische industrie - calciumoxide, zowel in vrije vorm als als onderdeel van keramische mengsels, wordt gebruikt bij de productie van vuurvaste materialen; kolossale hoeveelheden calciumhydroxide zijn nodig pulp- en papierindustrie. Daarnaast wordt Ca (OH) 2 gebruikt bij de productie van bleekmiddel (een goed bleek- en ontsmettingsmiddel), Berthollet-zout, soda en sommige pesticiden om plantenplagen te bestrijden. Grote hoeveelheid kalk wordt verbruikt bij de productie van staal - om zwavel, fosfor, silicium en mangaan te verwijderen. Een andere rol van kalk in de metallurgie is de productie van magnesium. Kalk wordt ook gebruikt als smeermiddel bij het trekken van staaldraad en bij het neutraliseren van afvalbeitsvloeistoffen die zwavelzuur bevatten. Bovendien is kalk het meest voorkomende chemische reagens bij de behandeling van drink- en industrieel water (samen met aluin- of ijzerzouten coaguleert het suspensies en verwijdert het sediment, en ook onthardt het water door tijdelijke - koolwaterstof - hardheid te verwijderen). In het dagelijks leven en in de geneeskunde wordt geprecipiteerd calciumcarbonaat gebruikt als een zuurneutraliserend middel, een mild schuurmiddel in tandpasta's, een bron van extra calcium in diëten, een ingrediënt in kauwgom en een vulmiddel in cosmetica. CaCO3 wordt ook gebruikt als vulmiddel in rubbers, latex, verf en email, en kunststoffen (ongeveer 10 gewichtsprocent) om hun hittebestendigheid, stijfheid, hardheid en bewerkbaarheid te verbeteren.

Van bijzonder belang is calciumfluoride CaF2, omdat het in de vorm van een mineraal (fluoriet) de enige industrieel belangrijke bron van fluor is! Calciumfluoride (fluoriet) wordt gebruikt in de vorm van eenkristallen in optica (astronomische objectieven, lenzen, prisma's) en als lasermateriaal. Feit is dat alleen calciumfluorideglazen doorlaatbaar zijn voor het hele spectrumgebied. Calciumwolframaat (scheeliet) in de vorm van eenkristallen wordt gebruikt in lasertechnologie en ook als scintillator. Even belangrijk is calciumchloride CaCl2 - een bestanddeel van pekel voor koelunits en voor het vullen van banden van tractoren en andere voertuigen. Met behulp van calciumchloride worden wegen en trottoirs sneeuw- en ijsvrij gemaakt, deze verbinding wordt gebruikt om kolen en ertsen te beschermen tegen bevriezing tijdens transport en opslag, hout wordt geïmpregneerd met zijn oplossing om het brandwerend te maken. CaCl2 wordt gebruikt in betonmengsels om het begin van het uitharden te versnellen en de begin- en eindsterkte van beton te verhogen.

Kunstmatig verkregen calciumcarbide CaC2 (tijdens het calcineren in elektrische ovens van calciumoxide met cokes) wordt gebruikt om acetyleen te verkrijgen en metalen te verminderen, evenals bij de productie van calciumcyanamide, dat op zijn beurt ammoniak vrijgeeft onder invloed van waterdamp . Daarnaast wordt calciumcyanamide gebruikt voor de productie van ureum, een waardevolle meststof en grondstof voor de productie van kunstharsen. Door calcium in een waterstofatmosfeer te verhitten, wordt CaH2 (calciumhydride) verkregen, dat wordt gebruikt in de metallurgie (metallothermie) en bij de productie van waterstof in het veld (uit 1 kilogram calciumhydride kan meer dan een kubieke meter waterstof worden verkregen ), die bijvoorbeeld wordt gebruikt om ballonnen te vullen. In de laboratoriumpraktijk wordt calciumhydride gebruikt als energetisch reductiemiddel. Het insecticide calciumarsenaat, dat wordt verkregen door arseenzuur te neutraliseren met kalk, wordt veel gebruikt om katoensnuitkever, fruitmot, tabaksworm en coloradokever te bestrijden. Belangrijke fungiciden zijn kalksulfaatsprays en Bordeaux-mengsels, die worden verkregen uit kopersulfaat en calciumhydroxide.

Productie

De eerste die metallisch calcium verkreeg was de Engelse chemicus Humphry Davy. In 1808 produceerde hij een elektrolyse van een mengsel van natte gebluste kalk Ca (OH) 2 met kwikoxide HgO op een platinaplaat die dienst deed als anode (een platinadraad ondergedompeld in kwik fungeerde als kathode), waardoor Davy verkreeg een calciumamalgaam door er kwik uit te drijven. , de scheikundige ontdekte een nieuw metaal, dat hij calcium noemde.

In de moderne industrie wordt vrij metallisch calcium verkregen door elektrolyse van een calciumchloride CaCl2-smelt, waarvan het aandeel 75-85% is, en kaliumchloride KCl (het is mogelijk om een mengsel van CaCl2 en CaF2 te gebruiken) of door aluminothermische reductie van calciumoxide CaO bij een temperatuur van 1 170-1 200 ° C. Het voor elektrolyse benodigde zuivere watervrije calciumchloride wordt verkregen door chlorering van calciumoxide door verhitting in aanwezigheid van steenkool of door dehydratatie van CaCl2 ∙ 6H2O verkregen door inwerking van zoutzuur op kalksteen. Het elektrolytische proces vindt plaats in een elektrolysebad, waarin een droog, gezuiverd calciumchloridezout en kaliumchloride worden geplaatst, wat nodig is om het smeltpunt van het mengsel te verlagen. Boven het bad worden grafietblokken geplaatst - een anode, een gietijzeren of stalen bad gevuld met een koper-calciumlegering, fungeert als kathode. Tijdens het elektrolyseproces gaat calcium over in de koper-calciumlegering, waardoor deze aanzienlijk wordt verrijkt; gaat naar de chlorering van kalkmelk. De verrijkte koper-calciumlegering kan direct als legering worden gebruikt of voor zuivering (destillatie) worden gestuurd, waar het in vacuüm wordt gedestilleerd (bij een temperatuur van 1000-1080 ° C en een restdruk van 13-20 kPa) waaruit metaal calcium met nucleaire zuiverheid wordt verkregen. Om zeer zuiver calcium te verkrijgen, wordt het tweemaal gedestilleerd. Het elektrolyseproces wordt uitgevoerd bij een temperatuur van 680-720 °C. Het punt is dat dit het meest is optimale temperatuur voor het elektrolytische proces - bij een lagere temperatuur drijft de met calcium verrijkte legering naar het oppervlak van de elektrolyt, en bij een hogere temperatuur lost calcium op in de elektrolyt met de vorming van CaCl. Tijdens elektrolyse met vloeibare kathoden worden legeringen van calcium en lood of calcium en zink direct in de techniek gebruikt om legeringen van calcium te verkrijgen met lood (voor lagers) en met zink (voor het produceren van schuimbeton - wanneer de legering in wisselwerking staat met vocht, komt waterstof vrij en er ontstaat een poreuze structuur). Soms wordt het proces uitgevoerd met een ijzergekoelde kathode, die alleen in contact staat met het oppervlak van de gesmolten elektrolyt. Terwijl calcium vrijkomt, wordt de kathode geleidelijk verhoogd, een staaf (50-60 cm) calcium wordt uit de smelt getrokken, beschermd tegen atmosferische zuurstof door een laag gestolde elektrolyt. De "aanraakmethode" wordt gebruikt om calcium te verkrijgen dat sterk verontreinigd is met calciumchloride, ijzer, aluminium, natrium. De zuivering wordt uitgevoerd door opnieuw te smelten in een argonatmosfeer.

Een andere methode om calcium te verkrijgen - metallotherm - werd al in 1865 theoretisch onderbouwd door de beroemde Russische chemicus N. N. Beketov. De aluminothermische methode is gebaseerd op de reactie:

6CaO + 2Al → 3CaO Al2O3 + 3Ca

Uit een mengsel van calciumoxide met aluminiumpoeder worden briketten geperst, in een chroom-nikkelstalen retort geplaatst en het resulterende calcium wordt bij 1170-1200°C en een restdruk van 0,7-2,6 Pa afgedestilleerd. Calcium wordt verkregen in de vorm van damp, die vervolgens wordt gecondenseerd op een koud oppervlak. De aluminothermische methode om calcium te verkrijgen wordt gebruikt in China, Frankrijk en een aantal andere landen. Op industriële schaal was de metallothermische methode om calcium te verkrijgen de eerste die door de Verenigde Staten werd gebruikt tijdens de Tweede Wereldoorlog. Op dezelfde manier kan calcium worden verkregen door reductie van CaO met ferrosilicium of silicoaluminium. Calcium wordt geproduceerd in de vorm van blokken of vellen met een zuiverheid van 98-99%.

Voor- en nadelen bestaan in beide methoden. De elektrolytische methode is multi-operationeel, energie-intensief (40-50 kWh energie wordt verbruikt per 1 kg calcium), bovendien is het niet milieuvriendelijk, het vereist een grote hoeveelheid reagentia en materialen. De opbrengst aan calcium bij deze methode is echter 70-80%, terwijl de opbrengst bij de aluminothermische methode slechts 50-60% is. Bovendien, met de metallothermische methode voor het verkrijgen van calcium, is het minpunt dat het noodzakelijk is om herhaalde destillatie uit te voeren, en het pluspunt is een laag stroomverbruik en bij afwezigheid van schadelijke gassen en vloeistoffen.

Nog niet zo lang geleden werd een nieuwe methode ontwikkeld voor het verkrijgen van metallisch calcium - het is gebaseerd op de thermische dissociatie van calciumcarbide: het carbide dat in vacuüm wordt verwarmd tot 1750 ° C ontleedt met de vorming van calciumdamp en vast grafiet.

Tot het midden van de 20e eeuw werd metallisch calcium in zeer kleine hoeveelheden geproduceerd, omdat het bijna nooit werd gebruikt. Zo werd in de Verenigde Staten van Amerika tijdens de Tweede Wereldoorlog niet meer dan 25 ton calcium verbruikt, en in Duitsland slechts 5-10 ton. Pas in de tweede helft van de 20e eeuw, toen duidelijk werd dat calcium een actief reductiemiddel is van veel zeldzame en vuurvaste metalen, nam het verbruik snel toe (ongeveer 100 ton per jaar) en als gevolg daarvan nam de productie van dit metaal begint. Met de ontwikkeling van de nucleaire industrie, waar calcium wordt gebruikt als onderdeel van de metallothermische reductie van uranium uit uraniumtetrafluoride (met uitzondering van de Verenigde Staten, waar magnesium wordt gebruikt in plaats van calcium), is de vraag (ongeveer 2.000 ton per jaar) ) voor element nummer twintig, evenals de productie ervan, is vele malen toegenomen. Op dit moment kunnen China, Rusland, Canada en Frankrijk worden beschouwd als de belangrijkste producenten van metallisch calcium. Vanuit deze landen wordt calcium naar de VS, Mexico, Australië, Zwitserland, Japan, Duitsland, Groot-Brittannië gestuurd. De prijzen voor calciummetaal stegen gestaag totdat China het metaal in zulke hoeveelheden begon te produceren dat er een overschot van het twintigste element op de wereldmarkt verscheen, wat leidde tot Scherpe afname prijzen.

Fysieke eigenschappen

Wat is metallisch calcium? Wat zijn de eigenschappen van dit element, verkregen in 1808 door de Engelse chemicus Humphrey Davy, een metaal waarvan de massa in het lichaam van een volwassene tot 2 kilogram kan bedragen?

De eenvoudige stof calcium is een zilverwit lichtmetaal. Calcium heeft een dichtheid van slechts 1,54 g/cm3 (bij 20°C), wat minder dichtheid ijzer (7,87 g/cm3), lood (11,34 g/cm3), goud (19,3 g/cm3) of platina (21,5 g/cm3). Calcium is zelfs lichter dan "gewichtloze" metalen als aluminium (2,70 g/cm3) of magnesium (1,74 g/cm3). Weinig metalen kunnen "opscheppen" met een dichtheid die kleiner is dan die van het twintigste element - natrium (0,97 g / cm3), kalium (0,86 g / cm3), lithium (0,53 g / cm3). Qua dichtheid lijkt calcium erg op rubidium (1,53 g/cm3). Het smeltpunt van calcium is 851 °C, het kookpunt is 1480 °C. Vergelijkbare smeltpunten (zij het iets lager) en kookpunten voor andere aardalkalimetalen zijn strontium (770 °C en 1380 °C) en barium (710 °C en 1640 °C).

Metallisch calcium bestaat in twee allotrope modificaties: bij normale temperaturen tot 443 ° C is α-calcium stabiel met een kubisch vlak gecentreerd rooster van het kopertype, met parameters: a = 0,558 nm, z = 4, ruimtegroep Fm3m, atomaire straal 1,97 A, ionische straal Ca2+ 1,04 A; in het temperatuurbereik van 443-842°C is β-calcium stabiel met een kubisch lichaam-gecentreerd rooster van het α-ijzertype, met parameters a = 0,448 nm, z = 2, ruimtegroep Im3m. De standaard overgangsenthalpie van de -modificatie naar de β-modificatie is 0,93 kJ/mol. De temperatuurcoëfficiënt van lineaire uitzetting voor calcium in het temperatuurbereik 0-300 ° C is 22 10-6. De thermische geleidbaarheid van het twintigste element bij 20 °C is 125,6 W/(m·K) of 0,3 cal/(cm sec °C). Specifieke hitte calcium in het bereik van 0 tot 100 ° C is 623,9 j / (kg K) of 0,149 cal / (g ° C). De elektrische weerstand van calcium bij 20°C is 4,6 10-8 ohm m of 4,6 10-6 ohm cm; temperatuurcoëfficiënt van elektrische weerstand van element nummer twintig 4.57 10-3 (bij 20 °C). Elasticiteitsmodulus van calcium 26 Gn/m2 of 2600 kgf/mm2; treksterkte 60 Mn/m2 (6 kgf/mm2); de elastische limiet voor calcium is 4 MN / m2 of 0,4 kgf / mm2, de vloeigrens is 38 MN / m2 (3,8 kgf / mm2); relatieve verlenging van het twintigste element 50%; Brinell calciumhardheid 200-300 MN/m2 of 20-30 kgf/mm2. Met een geleidelijke toename van de druk begint calcium de eigenschappen van een halfgeleider te vertonen, maar wordt het niet in de volledige zin van het woord (tegelijkertijd is het ook geen metaal meer). Met een verdere toename van de druk keert calcium terug naar de metallische toestand en begint het supergeleidende eigenschappen te vertonen (de supergeleidingstemperatuur is zes keer hoger dan die van kwik en overtreft alle andere elementen qua geleidbaarheid). Het unieke gedrag van calcium is in veel opzichten vergelijkbaar met strontium (dat wil zeggen dat de parallellen in het periodiek systeem behouden blijven).

De mechanische eigenschappen van elementair calcium verschillen niet van de eigenschappen van andere leden van de familie van metalen, die uitstekende structurele materialen zijn: zeer zuiver metallisch calcium is kneedbaar, goed geperst en gerold, tot een draad getrokken, gesmeed en vatbaar voor snijden - het kan worden ingeschakeld draaibank. Ondanks al deze uitstekende eigenschappen van een structureel materiaal, is calcium echter niet zo - de reden voor alles is de hoge chemische activiteit. Het is waar dat men niet mag vergeten dat calcium een onmisbaar structureel materiaal van botweefsel is, en de mineralen ervan zijn al duizenden jaren een bouwmateriaal.

Chemische eigenschappen

De configuratie van de buitenste elektronenschil van het calciumatoom is 4s2, wat de valentie van 2 van het twintigste element in verbindingen bepaalt. De twee elektronen van de buitenste laag worden relatief gemakkelijk van de atomen afgesplitst, die vervolgens worden omgezet in positieve dubbel geladen ionen. Om deze reden is calcium in termen van chemische activiteit slechts in geringe mate inferieur aan alkalimetalen (kalium, natrium, lithium). Net als de laatste, zelfs bij gewone kamertemperatuur, gaat calcium gemakkelijk in wisselwerking met zuurstof, koolstofdioxide en vochtige lucht, terwijl het bedekt is met een doffe grijze film van een mengsel van CaO-oxide en Ca (OH) 2-hydroxide. Daarom wordt calcium opgeslagen in een hermetisch afgesloten vat onder een laag minerale olie, vloeibare paraffine of kerosine. Bij verhitting in zuurstof en lucht ontbrandt calcium, brandend met een heldere rode vlam, en wordt het basische oxide CaO gevormd, een witte, licht ontvlambare stof waarvan het smeltpunt ongeveer 2600 ° C is. Calciumoxide is in de techniek ook bekend als ongebluste kalk of verbrande kalk. Calciumperoxiden - CaO2 en CaO4 - zijn ook verkregen. Calcium reageert met water waarbij waterstof vrijkomt (in de reeks standaardpotentialen bevindt calcium zich links van waterstof en kan het uit water verdringen) en de vorming van calciumhydroxide Ca (OH) 2, en in koud water de reactiesnelheid neemt geleidelijk af (door de vorming van een laag moeilijk oplosbaar calciumhydroxide op het metaaloppervlak):

Ca + 2H2O → Ca(OH)2 + H2 + Q

Calcium interageert krachtiger met heet water, waarbij waterstof snel wordt verdrongen en Ca(OH)2 wordt gevormd. Calciumhydroxide Ca (OH) 2 is een sterke base, slecht oplosbaar in water. Een verzadigde oplossing van calciumhydroxide wordt kalkwater genoemd en is alkalisch. In lucht wordt kalkwater snel troebel door de opname van kooldioxide en de vorming van onoplosbaar calciumcarbonaat. Ondanks zulke gewelddadige processen die plaatsvinden tijdens de interactie van het twintigste element met water, toch, in tegenstelling tot alkalimetalen, de reactie van interactie van calcium met water verloopt minder krachtig - zonder explosies en ontstekingen. In het algemeen is de reactiviteit van calcium lager dan die van andere aardalkalimetalen.

Calcium combineert actief met halogenen, waardoor verbindingen van het CaX2-type worden gevormd - het reageert met fluor in de kou en met chloor en broom bij temperaturen boven 400 ° C, waardoor respectievelijk CaF2, CaCl2 en CaBr2 worden verkregen. Deze halogeniden in gesmolten toestand vormen met calciummonohalogeniden van het CaX-type - CaF, CaCl, waarin calcium formeel eenwaardig is. Deze verbindingen zijn alleen stabiel boven het smeltpunt van de dihalogeniden (ze disproportioneren bij afkoeling om Ca en CaX2 te vormen). Bovendien interageert calcium actief, vooral bij verhitting, met verschillende niet-metalen: bij verhitting wordt calciumsulfide CaS verkregen met zwavel, de laatste bindt zwavel en vormt polysulfiden (CaS2, CaS4 en andere); in wisselwerking met droge waterstof bij een temperatuur van 300-400 ° C vormt calcium een hydride CaH2 - een ionische verbinding waarin waterstof een anion is. Calciumhydride CaH2 is een witte zoutachtige stof die heftig reageert met water om waterstof vrij te maken:

CaH2 + 2H2O → Ca(OH)2 + 2H2

Bij verhitting (ongeveer 500 ° C) in een stikstofatmosfeer, ontbrandt calcium en vormt Ca3N2-nitride, bekend in twee kristallijne vormen - hoge temperatuur en lage temperatuur β. Nitride Ca3N4 werd ook verkregen door calciumamide Ca(NH2)2 in vacuüm te verwarmen. Bij verhitting zonder toegang tot lucht met grafiet (koolstof), silicium of fosfor geeft calcium respectievelijk calciumcarbide CaC2, siliciden Ca2Si, Ca3Si4, CaSi, CaSi2 en fosfiden Ca3P2, CaP en CaP3. De meeste calciumverbindingen met niet-metalen worden gemakkelijk afgebroken door water:

CaH2 + 2H2O → Ca(OH)2 + 2H2

Ca3N2 + 6H2O → 3Ca(OH)2 + 2NH3

Met boor vormt calcium calciumboride CaB6, met chalcogenen - chalcogeniden CaS, CaSe, CaTe. Polychalcogeniden CaS4, CaS5, Ca2Te3 zijn ook bekend. Calcium vormt intermetallische verbindingen met verschillende metalen - aluminium, goud, zilver, koper, lood en andere. Omdat het een energetisch reductiemiddel is, verdringt calcium bijna alle metalen van hun oxiden, sulfiden en halogeniden bij verhitting. Calcium lost goed op in vloeibare ammoniak NH3 onder vorming van een blauwe oplossing, waarvan bij verdamping ammoniak vrijkomt [Ca (NH3) 6] - een goudkleurige vaste verbinding met metallische geleidbaarheid. Calciumzouten worden meestal bereid door de interactie zuuroxiden met calciumoxide, de inwerking van zuren op Ca (OH) 2 of CaCO 3, uitwisselingsreacties in waterige elektrolytoplossingen. Veel calciumzouten zijn zeer goed oplosbaar in water (CaCl2 chloride, CaBr2 bromide, CaI2 jodide en Ca(NO3)2 nitraat), ze vormen bijna altijd kristallijne hydraten. CaF2-fluoride, CaCO3-carbonaat, CaSO4-sulfaat, Ca3 (PO4) 2-orthofosfaat, CaC2O4-oxalaat en enkele andere zijn onoplosbaar in water.

Calcium bevindt zich in de vierde grote periode, de tweede groep, de hoofdsubgroep, het serienummer van het element is 20. Volgens het periodiek systeem van Mendelejev is het atoomgewicht van calcium 40,08. De formule van het hoogste oxide is CaO. Calcium heeft een Latijnse naam calcium, dus het atoomsymbool van het element is Ca.

Karakterisering van calcium als een eenvoudige stof

Onder normale omstandigheden is calcium een zilverwit metaal. Met een hoge chemische activiteit kan het element veel verbindingen van verschillende klassen vormen. Het element is van waarde voor technische en industriële chemische syntheses. Het metaal is wijd verspreid in de aardkorst: het aandeel is ongeveer 1,5%. Calcium behoort tot de groep van aardalkalimetalen: opgelost in water geeft het alkaliën, maar in de natuur komt het voor in de vorm van meerdere mineralen en. Zeewater bevat calcium in hoge concentraties (400 mg/l).

puur natrium

De kenmerken van calcium zijn afhankelijk van de structuur van het kristalrooster. Dit element heeft twee soorten: kubisch vlakgericht en volumegericht. Het type binding in het molecuul is metaalachtig.

Natuurlijke bronnen van calcium:

apatiet;
albast;
gips;
calciet;
fluoriet;
dolomiet.

Fysische eigenschappen van calcium en methoden voor het produceren van metaal

Onder normale omstandigheden zit calcium in de vaste stof staat van aggregatie. Het metaal smelt bij 842 °C. Calcium is een goede elektrische en thermische geleider. Bij verhitting gaat het eerst over in een vloeistof en vervolgens in een damptoestand en verliest het zijn metallische eigenschappen. Het metaal is erg zacht en kan met een mes worden gesneden. Kookt bij 1484 °C.

Onder druk verliest calcium zijn metallische eigenschappen en elektrische geleidbaarheid. Maar dan worden de metallische eigenschappen hersteld en verschijnen de eigenschappen van een supergeleider, meerdere malen groter dan de rest in hun prestaties.

Lange tijd was het niet mogelijk om calcium te verkrijgen zonder onzuiverheden: door zijn hoge chemische activiteit komt dit element in zuivere vorm niet in de natuur voor. Het element werd ontdekt aan het begin van de 19e eeuw. Calcium als metaal werd voor het eerst gesynthetiseerd door de Britse chemicus Humphrey Davy. De wetenschapper ontdekte de kenmerken van de interactie van smelten van vaste mineralen en zouten met elektrische schok. Tegenwoordig blijft de elektrolyse van calciumzouten (mengsels van calcium- en kaliumchloriden, mengsels van calciumfluoride en calciumchloride) de meest relevante methode voor het produceren van metaal. Calcium wordt ook geëxtraheerd uit zijn oxide met behulp van aluminothermie, een methode die gebruikelijk is in de metallurgie.

Chemische eigenschappen van calcium

Calcium is een actief metaal dat veel interacties aangaat. Onder normale omstandigheden reageert het gemakkelijk en vormt het de overeenkomstige binaire verbindingen: met zuurstof, halogenen. Klik voor meer informatie over calciumverbindingen. Bij verhitting reageert calcium met stikstof, waterstof, koolstof, silicium, boor, fosfor, zwavel en andere stoffen. In de open lucht interageert het onmiddellijk met zuurstof en koolstofdioxide, daarom wordt het bedekt met een grijze coating.

Reageert heftig met zuren, soms ontbrandend. In zouten vertoont calcium interessante eigenschappen. Grotstalactieten en stalagmieten zijn bijvoorbeeld calciumcarbonaat, dat geleidelijk wordt gevormd uit water, koolstofdioxide en bicarbonaat als gevolg van processen in het grondwater.

Vanwege de hoge activiteit in de normale toestand wordt calcium in laboratoria in een donkere afgesloten ruimte bewaard glaswerk onder een laagje paraffine of kerosine. Een kwalitatieve reactie op het calciumion is het kleuren van de vlam in een rijke steenrode kleur.

Calcium kleurt de vlam rood

Het metaal in de samenstelling van verbindingen kan worden geïdentificeerd door onoplosbare precipitaten van sommige zouten van het element (fluoride, carbonaat, sulfaat, silicaat, fosfaat, sulfiet).

De reactie van water met calcium

Calcium wordt in potjes bewaard onder een laagje beschermende vloeistof. Om te dirigeren, demonstreren hoe de reactie van water en calcium plaatsvindt, kun je niet zomaar het metaal pakken en het gewenste stuk ervan afsnijden. Metallisch calcium in het laboratorium is gemakkelijker te gebruiken in de vorm van spaanders.

Als er geen metaalkrullen zijn en er alleen grote stukken kalk in de bank zitten, is een tang of een hamer vereist. Klaar stuk calcium juiste maat in een kolf of glas water geplaatst. Calciumschilfers worden in een schaal in een gaaszak gedaan.

Calcium zakt naar de bodem en de waterstofontwikkeling begint (eerst op de plaats waar de verse breuk van het metaal zich bevindt). Geleidelijk komt er gas vrij van het calciumoppervlak. Het proces lijkt op snel koken, terwijl tegelijkertijd een neerslag van calciumhydroxide (gebluste kalk) wordt gevormd.

kalk blussen

Een stuk calcium drijft omhoog, opgepikt door waterstofbellen. Na ongeveer 30 seconden lost het calcium op en wordt het water troebel wit door de vorming van een hydroxidesuspensie. Als de reactie niet in een beker, maar in een reageerbuis wordt uitgevoerd, kan er warmteontwikkeling worden waargenomen: de reageerbuis wordt snel heet. De reactie van calcium met water eindigt niet met een spectaculaire explosie, maar de interactie van de twee stoffen verloopt heftig en ziet er spectaculair uit. De ervaring is veilig.

Als de zak met het resterende calcium uit het water wordt gehaald en in de lucht wordt gehouden, zal na een tijdje, als gevolg van de aanhoudende reactie, een sterke verwarming optreden en zal het resterende in het gaas koken. Als een deel van de troebele oplossing door een trechter in een beker wordt gefiltreerd, ontstaat er een neerslag wanneer koolmonoxide CO₂ door de oplossing wordt geleid. Hiervoor is geen kooldioxide nodig - u kunt uitgeademde lucht door een glazen buis in de oplossing blazen.