Ключевые слова: кальций, кальций в природе, физические и химические свойства кальция, кальций соединения оксид и гидроксид кальция, сульфат кальция, фторид кальция, хлориды кальция, бромид кальция, йодид кальция, нитрат и нитрит кальция, фосфаты кальция, оксалат кальция.
Кальций находится в главной подгруппе II группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Порядковый номер его 20, атомный вес 40,08. Атом кальция легко отдает два электрона внешнего слоя и превращается в положительно заряженный ион Са2+. Наиболее характерна для кальция степень окисления 2+. Однако известны соединения CaCl, CaF, в которых степень окисления кальция равна 1+.Природный кальций состоит из смеси шести стабильных изотопов с массовыми числами 20, 42, 43, 44, 46, 48. Наиболее распространен изотоп 40Са (96,97%). Искусственно получен радиоактивный изотоп 45Са ( период полураспада 163,5 дня) . Впервые кальций был получен Деви в 1808 г. электролизом с ртутным катодом раствора гидроксида кальция. В промышленных масштабах металлический кальций в основном получают электролизом хлористого кальция.
НАХОЖДЕНИЕ КАЛЬЦИЯ В ПРИРОДЕ
Кальций — один из наиболее распространенных элементов. Содержание его в земной коре составляет 3,25%. Благодаря высокой активности кальций встречается в природе исключительно в виде соединений. Наиболее распространенными из них являются известняк и мел. Известняк состоит в основном из минерала кальцита СаСО3, содержащего примеси Mg, Fe, Мп и др. Мел содержит 99 % чистого кальцита. Реже встречается кристаллическая форма карбоната кальция — мрамор. Кальций входит в состав многих осадочных и метаморфических пород доломитов, песчаников, сланцев и др., водных алюмосиликатов (цеолитов) и рудных минералов. Минералы кальция находят широкое практическое применение в качестве сырья для химической и металлургической промышленности, особенно в промышленности строительных материалов. Соединения кальция используются при производстве целлюлозы, очистке сахарного сиропа, изготовлении керамики и стекла. Металлический кальций применяют в качестве раскислителя при выплавке железа, меди и других металлов. Входит он и в состав некоторых подшипниковых сплавов.
ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КАЛЬЦИЯ
Кальций — серебристо-белый металл. Хорошо прессуется, пластичен, может быть прокатан в листы, поддается обработке резанием.Кальций может существовать в двух аллотропных модификациях: α- и β-формах. Кальций — один из самых электроотрицательных элементов. Его электродный потенциал равен —2,84 В. Кальций легко взаимодействует с кислородом воздуха и водой, поэтому его хранят под слоем масла. При нагревании на воздухе кальций легко сгорает с образованием оксида кальция. Перекиси СаО2 и СаО4 являются сильными окислителями. Кальций взаимодействует с холодной водой довольно энергично. Однако со временем реакция замедляется вследствие образования пленки гидроксида кальция. Разбавленные кислоты растворяют кальций с выделением водорода. При повышенных температурах кальций очень энергично взаимодействует с галогенами. С серой кальций образует сульфид состава CaS. При нагревании кальций взаимодействует с водородом и азотом с образованием нитридов и гидридов. Фосфид кальция образуется при нагревании кальция с фосфором без доступа воздуха. При нагревании кальция с графитом получается карбид СаС2. Известны также силициды кальция CaSi, CaSi2.
СОЕДИНЕНИЯ КАЛЬЦИЯ
Оксид и гидроксид кальция. Оксид кальция — бесцветные кристаллы с кубической решеткой, плотность 3,4, т. пл. 2585° С. Оксид кальция образуется при прокаливании карбоната кальция, реагирует с водой с выделением большого количества тепла и образованием гидроксида кальция.
Гидроксид кальция — бесцветные кристаллы с гексагональной решеткой, плотность 2,24. При нагревании гидроксид кальция отщепляет воду, превращаясь в оксид кальция. Будучи сильным основанием, гидроксид кальция поглощает углекислый газ из воздуха.
Сульфат кальция — бесцветные кристаллы, существующие в виде нескольких модификаций. Природный минерал — ангидрит (нерастворимый ангидрит) Растворимый ангидрит, получаемый при обезвоживании гипса, известен в двух формах, кристаллизующихся в гексагональной сингонии и отличающихся лишь величиной кристаллов. α-Форма (крупнокристаллическая) получается при медленном обезвоживании. При быстром обезвоживании получается мелкокристаллическая β-форма. Превращение растворимого ангидрита в нерастворимый происходит выше 400° С. Нерастворимый ангидрит не гигроскопичен и нерастворим в воде. Растворимый ангидрит хорошо поглощает влагу и растворяется в воде. Сульфат кальция образует кристаллогидраты: CaSО4∙2 Н2О и 2CaSО4∙H2О Ниже 60° С стабилен кристаллогидрат CaSО4∙2Н2О, выше 60° С — 2CaSО4∙H2О. В питьевой воде сульфат кальция содержится в растворенном состоянии, что обусловливает постоянную жесткость воды. Однако растворимость его в воде невелика — 0,202 г/100 г Н2О при 18 С. Присутствие прочих сульфатов понижает растворимость CaSО4, наличие же других солей и кислот, не исключая и серную, значительно повышает растворимость сульфата кальция. С серной кислотой образуются растворимые продукты присоединения CaSО4∙ H2SО4 и CaSО4∙3 H2SО4, которые могут существовать в свободном состояний. С сульфатами щелочных металлов сульфат кальция образует труднорастворимые двойные соли — Na2SО4-CaSО4 (глауберит) и K2SО4-CaSО4-H2О (сингенит), встречающиеся в природе.
Галогениды кальция.
Фторид кальция имеет показатель преломления 1,43385, твердость по Моосу равна 4. Практически не растворим в воде и разбавленных кислотах. Концентрированной серной кислотой разлагается с выделением HF. Фторид кальция встречается в природе в виде плавикового шпата. Может быть получен при действии солей фтора на растворы солей кальция.
Хлорид кальция очень гигроскопичен, энергично поглощает водяные пары, образуя сначала твердые гидраты, затем расплываясь в жидкость. Для хлорида кальция характерен ряд кристаллогидратов.При охлаждении концентрированных растворов выпадает СаС12∙6Н2О. При 30,1° С последний плавится в кристаллизационной воде и переходит в СаС12∙4 Н2О, затем в СаС12∙2Н2О (при 45,10 С), и, наконец, в СаС12∙Н2О (при 175,5 °С). Хлорид кальция обезвоживается полностью выше 250° С.При обезвоживании хлорид кальция частично гидролизуется с образованием оксида кальция и хлористого водорода. Безводный хлорид кальция растворяется в воде со значительным выделением тепла, гексагидрат — с поглощением тепла. Хлорид кальция растворим в низших спиртах и жидком аммиаке, образуя с ними сольваты, а также в ацетоне.
Бромид кальция легко растворим в воде (595 г/100 г Н2О при 0° С) и спирте. Кристаллизуется из воды в виде СаВг2∙6Н2О, плавящегося при 38,2° С. Известны также гидраты с 5; 4; 3; 2; 1,5 и 1 молекулами воды. Бромид кальция растворим в жидком аммиаке и этиловом спирте с образованием сольватов.
Иодид кальция растворяется в воде лучше, чем бромид (757 г/100 г Н2Опри 0°С). Кристаллизуется из воды в виде кристаллогидрата состава CaI2∙6H2О. Известны кристаллогидраты с 7,4 и 3 молекулами воды. Иодид кальция очень гигроскопичен.
Нитрат кальция при комнатной температуре выделяется из водных растворов Ca(NО3)2∙4H2О в виде бесцветных кристаллов с температурой плавления 42,7° С. Выше 51,6° С кристаллизуется безводная соль. Плавится безводная соль при 561°С; при 500° С начинается ее разложение с выделением кислорода и образованием нитрита кальция. Последний распадается на оксид кальция и диоксид азота. Кристаллогидраты и безводная соль нитрата кальция гигроскопичны, поэтому нитрат кальция хранят без доступа влаги.
Фосфаты кальция. Из кальциевых солей фосфорных кислот наибольшее практическое значение имеют соли ортофосфорной кислоты — трикальцийфосфат, дикальцийфосфат и монокальцийфосфат.
Трикальцийфосфат Са3(РО4)2 — бесцветные гексагональные кристаллы, т. пл. 1670° G, плотность 3,14. Почти не растворим в воде (0,0025%) при 20° С. Взаимодействует с кислотами, даже слабыми, с образованием кислых солей, обычно хорошо растворимых.
Дикальцийфосфат СаНРО4 — бесцветные триклинные кристаллы, плотность 2,89. Кристаллизуется из водных растворов при температуре выше 36° С. Ниже 36°С кристаллизуется дигидрат СаНРО4∙2Н2О, в виде моноклинных кристаллов с плотностью 2,31.
Монокальцийфосфат Са(Н2РО4)2 — бесцветные гигроскопические кристаллы. Может быть получен взаимодействием фосфорной кислоты с известью или действием фосфорной кислоты на апатит или фосфориты. В зависимости от условий осаждения может быть получена как безводная соль, так и моногидрат Са(Н2РО4)2∙Н2О — кристаллы триклинной сингонии; плотность 2,22. Прокаливанием моногидрата при 900° С получается пирофосфат кальция Са2Р2О7.
Карбонат кальция встречается в двух кристаллических формах: кальцит и арагонит. Кальцит образует бесцветные кристаллы с гексагональной решеткой, плотность 2,711. Арагонит — бесцветные кристаллы ромбической сингонии, плотность 2,93. Кальцит широко распространен в природе, арагонит встречается реже.
При нагревании карбонат кальция разлагается без плавления на оксид кальция и углекислый газ Растворимость его в воде незначительна: кальцита 14 мг/л, арагонита 15 мг/л (18° С). В присутствии углекислого газа растворимость карбоната кальция резко увеличивается вследствие образования растворимого в воде бикарбоната кальция. Карбонат кальция легко растворяется в кислотах с выделением углекислого газа. В органических растворителях карбонат кальция нерастворим.
Оксалат кальция-соль щавелевой кислоты, используется для гравиметрического определения и отделения кальция.
Ключевые слова: кальций, кальций формула, кальций что это, кальций элемент, кальций реакции, кальций соединения, кальций получения, кальций свойства.
На химический анализ сточных вод для декларации действует
