Применение соединений кальция

Применение соединений кальция

Введение

Химия - это наука о веществах, их строении, свойствах и взаимопревращениях.

Химия тесно связана с другими естественными науками: физикой, биологией, геологией. Многие разделы современной науки возникли на стыке этих наук: физическая химия, геохимия, биохимия.

Новая специальность в системе химических дисциплин под названием «Классификация и сертификация товаров на основе химического состава» основана в 1997 году узбекскими учеными И.Р. Аскаровым и Т.Т. Рискиевым. Важное значение в формировании этой новой химической дисциплины имели результаты научных исследований, проводимых такими узбекскими учеными как А.А. Ибрагимов, Г.Х. Хамракулов, М.А. Рахимджанов, М.Ю. Исаков, К.М. Каримкулов, О.А. Ташпулатов, А.А. Намазов, Б.Я. Абдуганиев, Ш.М. Миркамилов, О. Кулимов, Н.Х. Тухтабоев и другие.

Кальций - являясь щелочноземельным металлом, один из самых важных элементов на Земле.

Кальций очень важен как для человека, так и для животных и растений.

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.

Ка́льций - элемент главной подгруппы второй группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, с атомным номером 20, следовательно, ядро атома кальция имеет 20 положительных зарядов, образованных 20 протонами; число нейтронов в ядре 40 - 20 = 20. 20 электронов, нейтрализующих заряд ядра, расположены на четырех уровнях энергии. Относительная атомная масса 40.078 (4). Обозначается символом Ca (лат. Calcium).

1. История открытия

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 Hg₂O на платиновой пластине, которая являлась анодом. Катодом служила платиновая проволока, погруженная в жидкую ртуть. В результате электролиза получалась амальгама кальция. Отогнав из неё 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.

кальций химический соединение

2. 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). Содержание элемента в морской воде - 400 мг/л.

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, известняк, мрамор, мел CaCO₃,

ангидрит CaSO₄,

алебастр CaSO₄·0.5H₂O

гипс CaSO₄·2H₂O,

флюорит CaF₂,

фосфиты и апатиты Ca₃(PO₄)₂(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 (четвёртое место по числу минералов).

Рис. 1. Залежи кальция в соленых наплывах

Соединения кальция находятся практически во всех животных и растительных тканях. Значительное количество кальция входит в состав живых организмов. Так, гидроксиапатит Ca₃(PO₄)₂OH, 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

В промышленности кальций получают двумя способами:

Нагреванием брикетированной смеси СаО и порошка Аl при 1170-1200°С в вакууме 0,01 - 0,02 мм. рт. ст.; выделяющиеся по реакции:

СаО + 2Аl = 3CaO · Al₂O₃ + 3Ca

Пары кальция конденсируются на холодной поверхности.

Электролизом расплава СаСl₂ (75-80%) и КСl с жидким медно-кальциевым катодом приготовляют сплав Сu - Ca (65% Ca), из которого кальций отгоняют при температуре 950 - 1000°С в вакууме 0,1 - 0,001 мм. рт. ст. или из (6 частей) CaCl₂ и (1 часть) CaF_2.

Разработан также способ получения кальция термической диссоциацией карбида кальция СаС₂.

4. Физические свойства

Внешний вид простого вещества

Рис2. Умеренно твёрдый, серебристо-белый металл

Имя, символ, номер

Ка́льций/Calcium (Ca), 20

Атомная масса (молярная масса)

40,078 а. е. м. (г/моль)

Электронная конфигурация

[Ar] 4s²

Радиус атома

197 пм

Ковалентный радиус

174 пм

Радиус иона

(+2e) 99 пм

Электроотрицательность

1,00 (шкала Полинга)

Электродный потенциал

−2,76 В

Степени окисления

2

Энергия ионизации (первый электрон)

589,4 (6,11) кДж/моль (эВ)

Плотность (при н. у.)

1,55 г./см³

Температура плавления

842 ^oС

Теплота плавления

9,20 кДж/моль

Теплота испарения

153,6 кДж/моль

Молярная теплоёмкость

25,9 Дж/(K·моль)

Молярный объём

Структура решётки

кубическая гранецентрированная

Параметры решётки

5,580 Å

Температура Дебая

230 K

Теплопроводность

(300 K) (201) Вт/(м·К)

Простое вещество кальций - мягкий, химически активный щёлочноземельный металл серебристо-белого цвета.

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 перехода α → β составляет 0,93 кДж/моль.

При постепенном повышении давления начинает проявлять свойства полупроводника, но не становится полупроводником в полном смысле этого слова (металлом уже тоже не является). При дальнейшем повышении давления возвращается в металлическое состояние и начинает проявлять сверхпроводящие свойства (температура сверхпроводимости в шесть раз выше, чем у ртути, и намного превосходит по проводимости все остальные элементы). Уникальное поведение кальция похоже во многом на стронций (то есть параллели в периодической системе сохраняются).

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.

. Химические свойства

Кальций - типичный щёлочноземельный металл. Химическая активность кальция высока, но ниже, чем более тяжёлых щёлочноземельных 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 щёлочноземельные металлы, в плотно закрытой банке под слоем керосина или жидкого парафина.

На внешнем энергетическом уровне находится 2 электрона. Во всех соединениях степень окисления кальция +2.

В ряду стандартных потенциалов кальций расположен слева от водорода.

Стандартный электродный потенциал пары Ca²⁺/Ca⁰ −2,84 В, так что кальций активно реагирует с холодной водой (с горячей водой реакция протекает более энергично), но без воспламенения:

С активными неметаллами (кислородом, хлором, бромом) кальций реагирует при обычных условиях:

Ca + Cl₂ CaCl₂

При нагревании на воздухе или в кислороде кальций воспламеняется и горит красным пламенем с оранжевым оттенком.

С менее активными неметаллами (водородом, бором, углеродом, кремнием, азотом, фосфором и другими) кальций вступает во взаимодействие при нагревании, например:

Кроме фосфида кальция Ca₃P₂ известны также фосфиды кальция составов СаР и СаР₅;

Кроме силицида кальция Ca₂Si известны также силициды кальция составов CaSi, Ca₃Si₄ и CaSi₂.

Протекание указанных выше реакций, как правило, сопровождается выделением большого количества теплоты.

Кальций восстанавливает менее активные металлы из их оксидов и галогенидов

2Ca + TiO₂ 2CaO + Ti

Ca + TiCl₂ 2CaCl₂ + Ti

- Большинство из соединений кальция с неметаллами легко разлагается водой, например:

Ион Ca²⁺ бесцветен. При внесении в пламя растворимых солей кальция пламя окрашивается в кирпично-красный цвет.

. 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.

1.      Металлотермия

Чистый металлический кальций широко применяется в металлотермии при получении редких металлов.

2.      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.

3.      Ядерный синтез

Изотоп ⁴⁸Ca - один из эффективных и употребительных материалов для производства сверхтяжёлых элементов и открытия новых элементов таблицы Менделеева. Это связано с тем, что кальций-48 является дважды магическим ядром, поэтому его устойчивость позволяет ему быть достаточно нейтроноизбыточным для лёгкого ядра; при синтезе сверхтяжёлых ядер необходим избыток нейтронов.

. Соединения кальция

1.      Оксид кальция CaO (негашеная известь, жженая известь, кипелка) белое тугоплавкое вещество.

Получают при обжиге известняка или мела при высокой температуре (выше 900 ^oС):

CaCO₃ = CaO + CO₂

Оксид кальция реагирует водой с образованием гашенной извести и выделением большого количества тепла:

CaO + H₂O = Ca(OH)₂ + Q

2.      Гидроксид кальция Ca(OH)₂ - сильное основание, мало растворимое в воде.

Ca(OH)₂ используется в различных видах:

гашеная известь - тонкий рыхлый порошок, «пушонка», получаемый при действии воды на негашеную известь CaO:

CaO + H₂O = Ca(OH)₂

Тестообразная смесь гашеной извести с цементом, водой и песком используется в строительстве. При поглощении углекислого газа из воздуха эта смесь затвердевает:

Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃ + H₂O

известковое молоко - это взвесь частиц гашеной извести Ca(OH)₂ в известковой воде.

Используется для побелки в строительстве, дезинфекции стволов деревьев, в сахарной промышленности, для дубления кож, для получения хлорной извести.

известковая вода - насыщенный водный раствор Ca(OH)₂

Раствор на воздухе мутнеет за счет поглощения углекислого газа из воздуха.

Но при длительном пропускании углекислого газа раствор становится

прозрачным из-за образования растворимого гидрокарбоната кальция:

CaCO₃ + CO₂ + H₂O = Ca(HCO₃)₂

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, а тех же местах, где вода, насыщенная гидрокарбонатом кальция, выходит на поверхность земли и нагревается солнечными лучами.

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.

3.      Хлорная известь - является сильным окислителем, главной составной частью которой является соль CaOCl₂, образующаяся при взаимодействии сухой гашеной извести с хлором:

Ca(OH)₂ + Cl₂ = CaOCl₂ + H₂O

Хлорная известь - белый порошок с резким запахом, который во влажном воздухе под действием углекислого газа постепенно разлагается, выделяя хлорноватистую кислоту:

2CaOCl₂ + CO₂ + H₂O = CaCO₃ + CaCl₂ + 2HClO

2HClO = 2HCl + O₂

При действии на хлорную известь соляной кислоты выделяется хлор:

CaOCl₂ + 2HCl = CaCl₂ + Cl₂ + H₂O

На этом основаны отбеливающие и дезинфицирующие свойства хлорной извести.

4.      Гипс CaSO₄·2H₂O - природный минерал кальция.

При нагревании до150-180°С гипс теряет ¾ кристаллизационной воды и переходит в алебастр или жженый гипс.

2CaSO₄*2H₂O 2CaSO₄*H₂O + 3H₂O

При смешивании с водой алебастр быстро затвердевает, снова превращается

в гипс:

2CaSO₄*H₂O + 3H₂O 2CaSO₄*2H₂O

Это свойство гипса используется для изготовления отливочных форм и слепков с различных предметов, а так же в качестве вяжущего материала в строительстве для штукатурки и другие. Гипс широко используется в медицине для изготовления гипсовых повязок.

При нагревании гипса при температуре выше 180°С образуется безводный гипс (ангидрид кальция, или мертвый гипс), не способный уже присоединять воду.

CaSO₄*2H₂O CaSO₄ + H₂O

Такие соли кальция, как хлорид CaCl₂, бромид CaBr₂, иодид CaI₂ и нитрат Ca(NO₃)₂, хорошо растворимы в воде. Нерастворимы в воде фторид <#"699779.files/image016.gif">

Рис3. Содержание кальция в молочных продуктах.

Таблица 1. Содержание кальция в некоторых продуктах питания

Заключение

Кальций - один из самых распространенных элементов на Земле.

Кальций был открыт английским химиком Хэмфри Дэви в 1808 году. Он выделил металлический кальций электролитическим путем из смеси гашеной извести и оксида ртути.

В 1789 году А. Лавуазье предложил что известь, магнезия, барит, глинозем и кремнезем - вещества сложные.

В природе его очень много. В свободном виде не встречается. Из солей кальция образованы горные массивы и глинистые породы, он есть в морской и речной воде. Он входит в состав таких минералов как мрамор (мел), алебастр, гипс, флюорит, фосфитов, апатитов и доломитов.

Кальций так же входит в состав живых организмов - во всех животных и растительных тканях, а самое главное кальций входит в состав костной ткани человека.

Кальций получают двумя способами:

1.       Нагреванием смеси негашеной извести и алюминия.

2.       Второй способ, как и все металлы, электролизом, в данном случае расплава CaCl2 и KCl с жидким медно-кальциевым катодом.

Кальций является мягким химически активным щелочноземельным металлом, серебристо-белого цвета.

Кальций - типичный щёлочноземельный металл <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A9%D1%91%D0%BB%D0%BE%D1%87%D0%BD%D0%BE%D0%B7%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%B5_%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%BB%D1%8B>. На внешнем энергетическом уровне находится 2 электрона. Во всех соединениях степень окисления кальция +2.

При обычных условиях он легко взаимодействует с кислородом воздуха и галогенами.

С водородом, азотом, серой, фосфором, углеродом и другими неметаллами кальций реагирует при нагревании.

С холодной водой кальций взаимодействует медленно, а с горячей - очень энергично.

Кальций может отнимать кислород или галогены от оксидов и галогенидов менее активных металлов, т.е. обладает восстановительными свойствами.

В организме человека и других позвоночных большая часть кальция находится в скелете <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BA%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D1%82> и зубах <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D1%83%D0%B1%D1%8B_%D1%87%D0%B5%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D0%B5%D0%BA%D0%B0>. Он также содержится в растительных тканях, в продуктах питания (молочные продукты, хлеб, мясо, фрукты)

Список и источники литературы

1. И. Аскаров К. Гопиров «Основы химии» Государственное научное издательство «Узбекистон миллий энциклопедияси» Ташкент - 2013 стр. 347

2.       I.R. Asqarov Sh.H. Abdullaev O. Sh. Abdullaev «Kimyo - oily o`quv yurtlariga kiruvchilar uchun» «TAFAKKUR» nashriyoti Toshkent - 2013

3.       Н.Л. Глинка «Общая химия» Москва - 1988

.        «Справочник школьника» Бишкек - 2000 стр. 152-156

.        Г.П. Хомченко «Химия - универсальный сборник» Москва Новая Волна Издатель Умеренков - 2008 стр. 301-306

.        Ф.Г. Фелбдман Г.Е. Рудзитис «Химия 9» Москва «Просвещение» - 1990 стр. 127-132

.        «Универсальный справочник» Москва - 2006 стр. 648-651

8.       www.google.com //ru.wikipedia.org //wiki // Кальций.

.        www.google.co.ru //otherreferats.allbest.ru //chemistry.

.        www.google.com //medwiki.org.ua //article // Кальций.