Кальций и его роль для человечества
Реферат
Кальций и его
роль для человечества
Содержание
Введение
История и происхождение названия
Нахождение в природе
Получение
Физические свойства
Химические свойства
Применение металлического кальция
Применение соединений кальция
Биологическая роль
Заключение
Список литературы
Введение
Кальций — элемент главной
подгруппы второй группы, четвёртого периода периодической системы химических
элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 20. Обозначается символом Ca
(лат. Calcium). Простое вещество кальций (CAS-номер: 7440-70-2) — мягкий,
химически активный щёлочноземельный металл серебристо-белого цвета.
Несмотря на повсеместную
распространенность элемента №20, даже химики и то не все видели элементарный
кальций. А ведь этот металл и внешне и по поведению совсем непохож на щелочные
металлы, общение с которыми чревато опасностью пожаров и ожогов. Его можно спокойно
хранить на воздухе, он не воспламеняется от воды. Механические свойства
элементарного кальция не делают его «белой вороной» в семье металлов: по
прочности и твердости кальций превосходит многие из них; его можно обтачивать
на токарном станке, вытягивать в проволоку, ковать, прессовать.
И все-таки в качестве
конструкционного материала элементарный кальций почти не применяется. Для этого
он слишком активен. Кальций легко реагирует с кислородом, серой, галогенами.
Даже с азотом и водородом при определенных условиях он вступает в реакции.
Среда окислов углерода, инертная для большинства металлов, для кальция –
агрессивная. Он сгорает в атмосфере CO и CO2.
История и
происхождение названия
Название элемента
происходит от лат. calx (в родительном падеже calcis) — «известь», «мягкий
камень». Оно было предложено английским химиком Хэмфри Дэви, в 1808 г. выделившим металлический кальций электролитическим методом. Дэви подверг электролизу смесь
влажной гашёной извести с оксидом ртути HgO на платиновой пластине, которая
являлась анодом. Катодом служила платиновая проволока, погруженная в жидкую
ртуть. В результате электролиза получалась амальгама кальция. Отогнав из нее
ртуть, Дэви получил металл, названный кальцием.
Соединения кальция —
известняк, мрамор, гипс (а также известь — продукт обжига известняка)
применялись в строительном деле уже несколько тысячелетий назад. Вплоть до
конца XVIII века химики считали известь простым телом. В 1789 году А. Лавуазье
предположил, что известь, магнезия, барит, глинозём и кремнезём — вещества
сложные.
Нахождение в природе
Из-за высокой химической
активности кальций в свободном виде в природе не встречается.
На долю кальция
приходится 3,38 % массы земной коры (5-е место по распространенности после
кислорода, кремния, алюминия и железа).
Изотопы. Кальций встречается в природе в виде
смеси шести изотопов: 40Ca, 42Ca, 43Ca, 44Ca, 46Ca и 48Ca, среди которых
наиболее распространённый — 40Ca — составляет 96,97 %.
Из шести природных
изотопов кальция пять стабильны. Шестой изотоп 48Ca, самый тяжелый из шести и
весьма редкий (его изотопная распространённость равна всего 0,187 %), как было
недавно обнаружено, испытывает двойной бета-распад с периодом полураспада 5,3×1019
лет.
В горных породах и
минералах. Большая
часть кальция содержится в составе силикатов и алюмосиликатов различных горных
пород (граниты, гнейсы и т. п.), особенно в полевом шпате — анортите
Ca[Al2Si2O8].
В виде осадочных пород соединения кальция представлены
мелом и известняками, состоящими в основном из минерала кальцита (CaCO3).
Кристаллическая форма кальцита — мрамор — встречается в природе гораздо реже.
Довольно широко
распространены такие минералы кальция, как кальцит CaCO3, ангидрит
CaSO4, алебастр CaSO4·0.5H2O и гипс CaSO4·2H2O,
флюорит CaF2, апатиты Ca5(PO4)3(F,Cl,OH),
доломит MgCO3·CaCO3. Присутствием солей кальция и магния
в природной воде определяется её жёсткость.
Кальций, энергично
мигрирующий в земной коре и накапливающийся в различных геохимических системах,
образует 385 минералов (четвертое место по числу минералов).
Миграция в земной коре.
В естественной
миграции кальция существенную роль играет «карбонатное равновесие», связанное с
обратимой реакцией взаимодействия карбоната кальция с водой и углекислым газом
с образованием растворимого гидрокарбоната:
СаСО3 + H2O
+ CO2 ↔ Са (НСО3)2 ↔ Ca2+
+ 2HCO3-
(равновесие смещается
влево или вправо в зависимости от концентрации углекислого газа).
Биогенная миграция. В биосфере соединения кальция
находятся практически во всех животных и растительных тканях (см. тж. ниже).
Значительное количество кальция входит в состав живых организмов. Так,
гидроксиапатит Ca5(PO4)3OH, или, в другой записи, 3Ca3(PO4)2·Са(OH)2
— основа костной ткани позвоночных, в том числе и человека; из карбоната
кальция CaCO3 состоят раковины и панцири многих беспозвоночных, яичная скорлупа
и др. В живых тканях человека и животных 1,4-2 % Са (по массовой доле); в теле
человека массой 70 кг содержание кальция — около 1,7 кг (в основном в составе межклеточного вещества костной ткани).
Получение
Свободный металлический
кальций получают электролизом расплава, состоящего из CaCl2 (75-80
%) и KCl или из CaCl2 и CaF2, а также алюминотермическим
восстановлением CaO при 1170—1200 °C:
4CaO + 2Al = CaAl2O4
+ 3Ca.
Физические свойства
Металл кальций существует
в двух аллотропных модификациях. До 443 °C устойчив α-Ca с кубической гранецентрированной решеткой (параметр а = 0,558 нм), выше устойчив β-Ca с
кубической объемно-центрированной решеткой типа α-Fe (параметр a = 0,448
нм). Стандартная энтальпия ΔH0 перехода α → β составляет
0,93 кДж/моль.
Химические свойства
Кальций — типичный
щелочноземельный металл. Химическая активность кальция высока, но ниже, чем
всех других щелочноземельных металлов. Он легко взаимодействует с кислородом,
углекислым газом и влагой воздуха, из-за чего поверхность металлического
кальция обычно тускло серая, поэтому в лаборатории кальций обычно хранят, как и
другие щелочноземельные металлы, в плотно закрытой банке под слоем керосина или
жидкого парафина.
В ряду стандартных
потенциалов кальций расположен слева от водорода. Стандартный электродный
потенциал пары Ca2+/Ca0 −2,84 В, так что кальций активно
реагирует с водой, но без воспламенения:
Ca + 2Н2О =
Ca(ОН)2 + Н2↑ + Q.
С активными неметаллами
(кислородом, хлором, бромом) кальций реагирует при обычных условиях:
2Са + О2 =
2СаО, Са + Br2 = CaBr2.
При нагревании на воздухе
или в кислороде кальций воспламеняется. С менее активными неметаллами
(водородом, бором, углеродом, кремнием, азотом, фосфором и другими) кальций
вступает во взаимодействие при нагревании, например:
Са + Н2 = СаН2,
Ca + 6B = CaB6,
3Ca + N2 = Ca3N2,
Са + 2С = СаС2,
3Са + 2Р = Са3Р2
(
фосфид кальция), известны
также фосфиды кальция составов СаР и СаР5;
2Ca + Si = Ca2Si
(силицид кальция),
известны также силициды кальция составов CaSi, Ca3Si4 и CaSi2.
Протекание указанных выше
реакций, как правило, сопровождается выделением большого количества теплоты (то
есть эти реакции — экзотермические). Во всех соединениях с неметаллами степень
окисления кальция +2. Большинство из соединений кальция с неметаллами легко
разлагается водой, например:
СаН2 + 2Н2О = Са(ОН)2
+ 2Н2↑,
Ca3N2
+ 3Н2О = 3Са(ОН)2 + 2NH3↑.
Ион Ca2+
бесцветен. При внесении в пламя растворимых солей кальция пламя окрашивается в
кирпично-красный цвет.
Такие соли кальция, как
хлорид CaCl2, бромид CaBr2, иодид CaI2 и
нитрат Ca(NO3)2, хорошо растворимы в воде. Нерастворимы в
воде фторид CaF2, карбонат CaCO3, сульфат CaSO4,
ортофосфат Ca3(PO4)2, оксалат СаС2О4
и некоторые другие.
Важное значение имеет то
обстоятельство, что, в отличие от карбоната кальция СаСО3, кислый карбонат
кальция (гидрокарбонат) Са(НСО3)2 в воде растворим. В природе это приводит к
следующим процессам. Когда холодная дождевая или речная вода, насыщенная
углекислым газом, проникает под землю и попадает на известняки, то наблюдается
их растворение:
СаСО3 + СО2
+ Н2О = Са(НСО3)2.
В тех же местах, где
вода, насыщенная гидрокарбонатом кальция, выходит на поверхность земли и
нагревается солнечными лучами, протекает обратная реакция:
Са(НСО3)2
= СаСО3 + СО2↑ + Н2О.
Так в природе происходит
перенос больших масс веществ. В результате под землей могут образоваться
огромные провалы, а в пещерах образуются красивые каменные «сосульки» —
сталактиты и сталагмиты.
Наличие в воде
растворенного гидрокарбоната кальция во многом определяет временную жёсткость
воды. Временной ее называют потому, что при кипячении воды гидрокарбонат
разлагается, и в осадок выпадает СаСО3. Это явление приводит, например, к тому,
что в чайнике со временем образуется накипь.
Применение
металлического кальция
Главное применение
металлического кальция — это использование его как восстановителя при получении
металлов, особенно никеля, меди и нержавеющей стали. Кальций и его гидрид
используются также для получения трудновосстанавливаемых металлов, таких, как
хром, торий и уран. Сплавы кальция со свинцом находят применение в
аккумуляторных батареях и подшипниковых сплавах. Кальциевые гранулы
используются также для удаления следов воздуха из электровакуумных приборов.
Металлотермия
Чистый металлический
кальций широко применяется в металлотермии при получении редких металлов.
Легирование сплавов
Чистый кальций
применяется для легирования свинца, идущего на изготовление аккумуляторных
пластин, необслуживаемых стартерных свинцово-кислотных аккумуляторов с малым
саморазрядом. Также металлический кальций идет на производство качественных
кальциевых баббитов БКА.
Ядерный синтез
Применение соединений
кальция
Гидрид кальция. Нагреванием кальция в атмосфере
водорода получают CaH2 (гидрид кальция), используемый в металлургии (металлотермии)
и при получении водорода в полевых условиях.
Оптические и лазерные
материалы.Фторид
кальция (флюорит) применяется в виде монокристаллов в оптике (астрономические
объективы, линзы, призмы) и как лазерный материал. Вольфрамат кальция (шеелит)
в виде монокристаллов применяется в лазерной технике, а также как сцинтиллятор.
Карбид кальция. Карбид кальция CaC2 широко
применяется для получения ацетилена и для восстановления металлов, а также при
получении цианамида кальция (нагреванием карбида кальция в азоте при 1200 °C, реакция идет экзотермически, проводится в цианамидных печах).
Химические источники
тока. Кальций, а
также его сплавы с алюминием и магнием используются в резервных тепловых
электрических батареях в качестве анода(например кальций-хроматный элемент).
Хромат кальция используется в таких батареях в качестве катода. Особенность
таких батарей — чрезвычайно долгий срок хранения (десятилетия) в пригодном
состоянии, возможность эксплуатации в любых условиях (космос, высокие
давления), большая удельная энергия по весу и объему. Недостаток в недолгом
сроке действия. Такие батареи используются там, где необходимо на короткий срок
создать колоссальную электрическую мощность (баллистические ракеты, некоторые
космические аппараты и.др.).
Огнеупорные материалы.
Оксид кальция, как в
свободном виде, так и в составе керамических смесей, применяется в производстве
огнеупорных материалов.
Лекарственные средства.
Соединения кальция
широко применяются в качестве антигистаминного средства.
Хлорид кальция
Глюконат кальция
Глицерофосфат кальция
Кроме того, соединения
кальция вводят в состав препаратов для профилактики остеопороза, в витаминные
комплексы для беременных и пожилых.
Биологическая роль
Кальций —
распространенный макроэлемент в организме растений, животных и человека. В
организме человека и других позвоночных большая его часть содержится в скелете
и зубах в виде фосфатов. Из различных форм карбоната кальция (извести) состоят
скелеты большинства групп беспозвоночных (губки, коралловые полипы, моллюски и
др.). Ионы кальция участвуют в процессах свертывания крови, а также в
обеспечении постоянного осмотического давления крови. Ионы кальция также служат
одним из универсальных вторичных посредников и регулируют самые разные внутриклеточные
процессы — мышечное сокращение, экзоцитоз, в том числе секрецию гормонов и
нейромедиаторов и др. Концентрация кальция в цитоплазме клеток человека
составляет около 10−7 моль, в межклеточных жидкостях около 10−3
моль.
Потребность в кальции
зависит от возраста. Для взрослых необходимая дневная норма составляет от 800
до 1000 миллиграммов (мг), а для детей от 600 до 900 мг, что для детей очень
важно из-за интенсивного роста скелета. Большая часть кальция, поступающего в
организм человека с пищей, содержится в молочных продуктах, оставшийся кальций
приходится на мясо, рыбу, и некоторые растительные продукты (особенно много
содержат бобовые). Всасывание происходит как в толстом, так и тонком кишечнике
и облегчается кислой средой, витамином Д и витамином С, лактозой, ненасыщеными
жирными кислотами. Немаловажна роль магния в кальциевом обмене, при его
недостатке кальций «вымывается» из костей и осаждается в почках (почечные
камни) и мышцах.
Усваиванию кальция
препятствуют аспирин, щавелевая кислота, производные эстрогенов. Соединияясь с
щавелевой кислотой, кальций дает нерастворимые в воде соединения, которые
являются компонентами камней в почках.
Содержания кальция в
крови из-за большого количества связанных с ним процессов точно регулируется, и
при правильном питании дефицита не возникает. Продолжительное отсутствие в
рационе может вызвать судороги, боль в суставах, сонливость, дефекты роста, а
также запоры. Более глубокий дефицит приводит к постоянным мышечным судорогам и
остеопорозу. Злоупотребление кофе и алкоголем могут быть причинами дефицита
кальция, так как часть его выводится с мочой.
Избыточные дозы кальция и
витамина Д могут вызвать гиперкальцемию, после которой следует интенсивная
кальцификация костей и тканей (в основном затрагивает мочевыделительную
систему). Продолжительный переизбыток нарушает функционирование мышечных и
нервных тканей, увеличивает свертываемость крови и уменьшает усвояемость цинка
клетками костной ткани. Максимальная дневная безопасная доза составляет для
взрослого от 1500 до 1800 миллиграмм.
Содержание кальция в
продуктах питания:
Продукты Кальций, мг/100
г
Мак 1460
Кунжут 783
Крапива 713
Просвирник лесной 505
Подорожник большой 412
Галинсога 372
Сардины в масле 330
Будра плющевидная 289
Шиповник собачий 257
Миндаль 252
Подорожник ланцетолист.
248
Лесной орех 226
Амарант семя 214
Кресс-салат 214
Кале 212
Соя бобы сухие 201
Молоко коровье 120
Малое содержание кальция:
рыба (30-90); творог (80); хлеб с отрубями (60); мясо, субпродукты, крупы,
свекла (менее 50).
Рекомендуемые Всемирной
Организацией Здравоохранения суточные нормы потребления кальция.
Дети до 3 лет — 600 мг.
Дети от 4 до 10 лет — 800
мг.
Дети от 10 до 13 лет —
1000 мг.
Подростки от 13 до 16 лет
— 1200 мг.
Молодежь от 16 и старше —
1000 мг.
Взрослые от 25 до 50 лет
— от 800 до 1200 мг.
Беременные и кормящие
грудью женщины — от 1500 до 2000 мг.
Заключение
Кальций – один из самых
распространенных элементов на Земле. В природе его очень много: из солей
кальция образованы горные массивы и глинистые породы, он есть в морской и
речной воде, входит в состав растительных и животных организмов.
Кальций постоянно
окружает горожан: почти все основные стройматериалы – бетон, стекло, кирпич,
цемент, известь – содержат этот элемент в значительных количествах.
Естественно, что, обладая
такими химическими свойствами, кальций не может находиться в природе в
свободном состоянии. Зато соединения кальция – и природные и искусственные –
приобрели первостепенное значение.
Список литературы
1.
Редкол.:
Кнунянц И. Л. (гл. ред.) Химическая энциклопедия: в 5 т. — Москва: Советская
энциклопедия, 1990. — Т. 2. — С. 293. — 671 с
2.
Доронин.
Н. А. Кальций, Госхимиздат, 1962. 191 стр. с илл.
3.
Доценко
ВА. - Лечебно-профилактическое питание. - Вопр. питания, 2001 - N1-с.21-25
4.
Bilezikian J. P. Calcium and bone metabolism // In: K. L. Becker,
ed.